冲压以形成具有结构化特征的相异材料的复合结构

摘要

复合结构包括相异材料的基部和辅助部分。辅助部分通过冲压成形。当辅助部分被冲压时，其与基部互锁，并且同时在辅助部分上形成期望的结构化特征，如结构化反射表面、对准特征等。利用该方法，相对不太关键的结构化特征可以用较小的努力在基部的主体上成形以保持相对较大的公差，而辅助部分上的相对更关键的结构化特征在进一步考虑的情况下更精确地成形以在相对较小的公差下限定尺寸、几何形状和/光洁度。辅助部分可以包括与用于冲压不同结构化特征的不同性质相关联的两种相异材料的复合结构。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请(1)要求于2014年5月15日提交的美国临时专利申请No.61/994,094的优先权，以及(2)是于2015年4月23日提交的美国专利申请No.14/695,008的部分继续申请，其是于2013年4月11日提交的美国专利申请No.13/861,273的部分继续申请，其(a)要求于2012年4月11日提交的美国临时专利申请No.61/623,027的优先权；(b)要求于2012年9月10日提交的美国临时专利申请No.61/699,125的优先权；以及(c)是于2013年3月5日提交的美国专利申请No.13/786,448的部分继续申请，其要求于2012年3月5日提交的美国临时专利申请No.61/606,885的优先权。这些申请通过引用完全并入本文，如同在本文中完全阐述。以下提及的所有出版物通过引用完全并入本文，如同在本文中完全阐述。

技术领域

本发明涉及精密冲压，特别是精密冲压以生产与光信号传输结合使用的装置，更具体地涉及精密冲压以产生用于路由(route)光数据信号的装置。

背景技术

本发明的受让人nanoPrecision Products，Inc开发了与光数据传输结合使用的各种专用装置。例如，US2013/0322818A1公开了一种具有冲压的结构化表面、用于路由光数据信号的光联接装置，特别是用于路由光信号的光联接装置，包括基部；限定在基部上的结构化表面，其中结构化表面具有再成形和/或反射入射光的表面轮廓；以及限定在基部上的对准结构，对准结构配置有表面特征，以便于以与结构化表面光学对准的方式将光学部件定位在基部上，以允许光沿着结构化表面和光学部件之间的限定路径传输，其中，结构化表面和对准结构通过冲压基部的可延展材料而一体地限定在基部上。

US2013/0294732A1还公开了一种具有集成光学元件的密封光纤对准组件，特别是包括具有接收光纤端部的多个槽的套圈部分的密封光纤对准组件，其中槽限定端部相对于套圈部分的位置和取向。该组件包括用于将光纤的输入/输出联接到光电模块中的光电装置的集成光学元件。光学元件可以是结构化反射表面的形式。光纤末端与结构化反射表面具有限定的距离并且与结构化反射表面对准。结构化反射表面和光纤对准槽可以通过冲压形成。

美国专利申请No.14/695,008还公开了一种在光通信模块中使用的用于路由光信号的光联接装置，特别是这样的光联接装置，在基部上限定具有表面轮廓的结构化表面，该表面轮廓再成形和/或反射入射光，以及在基部上限定对准结构，该对准结构配置有表面特征以便于以与结构化表面光学对准的方式将光学部件定位在基部上，以允许光沿着结构化表面和光学部件之间的限定路径传输。结构化表面和对准结构通过冲压基部的可延展材料而一体地限定在基部上。对准结构促进基部上的光学部件与结构化表面的光学对准的被动对准，以允许光沿着结构化表面和光学部件之间的限定路径传输。结构化表面具有反射和/或再成形入射光的反射表面轮廓。

美国专利No.7,343,770公开了一种用于制造小公差零件的新型精密冲压系统。这样的创造性冲压系统可以在各种冲压工艺中实施以生产在上述专利出版物中公开的装置。这些冲压工艺涉及冲压块材料(例如金属坯料)，以形成紧密(即小)公差的最终表面特征，包括具有与其它限定的表面特征精确对准的期望几何形状的反射表面。

迄今为止，经受冲压的块材料是同质材料(例如金属条，如科瓦铁镍钴合金、铝等)。冲压工艺生产单一同质材料构成的结构特征。因此，不同的特征将共享材料的性质，其不能针对一个或多个特征进行优化。例如，具有适于冲压对准特征的性质的材料可能不具有适于冲压具有最佳光反射效率以减少光信号损失的反射表面特征的性能。

需要一种改进的冲压工艺，以降低的成本生产具有改进的结构特性、功能性、性能、可靠性和可制造性的装置。

发明内容

本发明通过提供被精确冲压以形成结构化特征(例如微特征)的复合结构，更具体地通过提供与光信号传输结合使用的、具有这样的结构化特征的装置(包括用于微机电系统(MEMS)的光传输如传感器)，进一步改进了之前的冲压工艺。

根据本发明，复合结构包括具有一种或多种不同性质的至少两种相异材料，包括但不限于化学、物理、热、电、结构等性质，其可以被优化以增强由这些不同材料限定的结构化特征的功能。特别地，复合结构包括本体，该本体具有包括基材的基部和至少辅助部分，辅助部分至少包括与基材成对或互补的相异辅助材料。辅助部分联接到基部。至少辅助部分的辅助材料通过冲压成形，以形成利用辅助材料的性质的至少一个结构化特征(例如用于光引导件或光源/接收器的光反射表面特征和/或对准特征)。基部还可以成形为限定利用基材的性质的不同结构化特征。

在复合结构中，相异材料明显地存在于复合结构的不同部分(即，在基部和辅助部分)，因此在复合结构的不同部分呈现相应相异材料的不同性质。因此，在本发明的上下文中，辅助材料在结构上联接或附接到基材以限定在复合结构的不同部分处具有在体积中(in bulk)保持明显区别的不同材料的复合结构(忽略在两种不同材料的界面处的表面附近的分子水平存在的任何可能的轻微混合/合金化)，与其在体积中构成两种或更多种相异材料的基于基体的复合物、化合物、合金和/或固溶体形成对照。

基部可以提供体积支撑体(bulk support body)，辅助部分联接在其上。至少辅助部分被冲压以限定一个或多个结构化特征。此外或可替代地，基部可以包括在联接/冲压辅助部分之前在其上预先限定的结构化特征(例如通过冲压)。此外，可以相对于辅助材料和/或基材采取最终冲压步骤，以在辅助部分和/或基部处获得结构化特征所需的光洁度，几何形状和尺寸。

在一个实施例中，具有辅助材料的至少相似异部分被涂覆到基部的至少一部分上。在另一实施例中，相异部分可以通过其它手段(例如粘结、焊接、铆接等)附接到基部。

在另一实施例中，至少一个相异辅助部分通过冲压联接到基部。辅助材料可在压力下熔合到基材，该压力来源于将相异材料冲压到基材上；当基部部分和辅助部分具有相似的化学成分(例如两种铝合金)时这是可能的。可替代地，辅助材料通过冲压在结构上互锁到基材。在一个实施例中，辅助材料配置为插入件的形式，其设置在基部中的开口中。插入件被冲压，相对于基部形成互锁结构(例如插头或铆钉状互锁结构)，并且同时在插入件上形成期望的结构化特征。

辅助材料被选择为可延展的以通过冲压成形。基材也可以选择为可延展的以通过冲压成形。在一个实施例中，辅助材料被选择为比基材相对更可延展/柔软，以获得辅助部分处的关键特征(例如高光学反射表面)的所需几何形状、尺寸和/光洁度。

在本发明的一个实施例中，基部可以基于相对较大的公差而成形(例如通过冲压)以限定具有相对不太关键的尺寸、几何形状和光洁度的结构化特征，并且辅助部分基于相对较小的公差成形以限定具有相对更关键的尺寸、几何形状和/或光洁度的结构化特征。利用这种方法，相对不太关键的结构化特征可以用较小的努力在基部的体积上成形以保持相对较大的公差，而辅助部分上的相对更关键的结构化特征在进一步考虑的情况下更精确地成形以在相对较小的公差下限定尺寸、几何形状和/光洁度。

在又一实施例中，辅助部分(例如以插头或铆钉的形式)包括复合结构，其包括与用于冲压不同结构化特征的不同性质相关联的至少两种相异的辅助材料(例如双金属材料)。

在一个实施例中，光具座和/或光联接装置可以通过冲压形成以形成上述复合结构。辅助部分成形为限定结构化反射表面，以及用于相对于结构化反射表面对准光纤端部的其它结构化特征。辅助部分可以包括用于冲压结构化反射表面的第一类型辅助材料和用于冲压对准用结构化特征的相异的第二类型辅助材料。基部成形为限定尺寸上相对不太关键的结构化特征，如用于保持光纤的槽。

本发明的复合结构可以包括：(a)金属辅助材料和金属基材；(b)金属辅助材料和非金属基材；以及(c)非金属辅助材料和金属基材。

本发明可以实施为在各种装置中精确地形成微结构化特征，如在转让给nanoPrecision Products,Inc.的专利文献中公开的那些，其已经在本文的背景技术部分中进行讨论。本发明可以实施为生产具有实现或超过现有技术的硅光具座(例如在US2003/223131A1；美国专利No.6,869,231；美国专利No.8,103,140和美国专利No.8,168,939中讨论的)的功能的结构化特征的光学子组件和冲压光具座。

附图说明

为了更全面地理解本发明的性质和优点，以及优选实施方式，应结合附图阅读以下详细描述。在下面的附图中，所有附图中相同的附图标记表示相同或相似的部件。

图1A示出了根据本发明的一个实施例的具有带复合结构的冲压光具座的光联接装置；图1B是其分解图；图1C是图1B中辅助部分区域的放大图；图1D是沿图1A中的线1D-1D截取的剖视图。

图2A至2D示出了根据本发明的一个实施例的辅助部分的各种视图。

图3A是用于通过冲压形成辅助部分的插入件的示意图；图3B示意性地示出了根据本发明的一个实施例的冲压工具的一部分；图3C是图3B中的接触区域的放大图；图3D是经历冲压操作之后辅助部分中的塑性应变的模拟视图。

图4A至4B是根据本发明的一个实施例形成的光具座的各种视图；图4C至4D是根据本发明的一个实施例形成的光具座的各种图像。

图5A示意性地示出了根据本发明的一个实施例的冲压工具；图5B是沿图5A中5B-5B线截取的剖视图；图5C是图5B中的接触区域的放大图。

图6是根据本发明的一个实施例的用于冲压光具座的金属条的透视图。

图7A是根据本发明另一实施例的具有复合结构的光具座的透视图；图7B示意性地示出了根据本发明的一个实施例的冲压工具的一部分；图7C是图7B中的接触区域的放大图。

图8A示出了根据本发明的又一实施例的具有带复合结构的冲压光具座的光联接装置；图8B是其分解图；图8C是沿图8A中的线8C-8C截取的剖视图。

具体实施方式

下面参考附图参照各个实施例描述本发明。虽然根据实现本发明目的的最佳模式描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以根据这些教导实现变化。

本发明通过提供精密冲压以形成结构化特征的复合结构，并且更具体地通过提供与光信号传输结合使用的、具有这样的结构化特征的装置，进一步改进了之前的冲压工艺。

将参考用于物理地和光学地联接光学部件(例如光纤)的输入/输出端以路由光信号的光联接装置的示例来讨论本发明的概念。本发明可以应用于形成在其它领域中使用的结构和部件。

在下面讨论的示例中，联接装置实施为具有冲压反射表面，用于将光信号从/向外部发射器(Tx)/接收器(Rx)向/从光纤路由/重新定向。下面讨论的光联接装置的结构以与例如US2013/0294732A1中与光联接装置结合公开的结构类似的方式重新定向光。然而，本发明通过实施创造性复合结构和相关联的冲压工艺来限定装置中的结构化特征而采用不同的方法来定义与重新定向光相关联的结构化特征(其可以包括结构化反射表面和相关联的对准特征)。

图1A-1D示出了与光纤形式的光学部件结合使用的联接装置10。光纤缆线22具有由保护缓冲和护套层23保护的四个光纤20。联接装置10包括辅助部分14、基部16、盖18和间隔件19。基部16限定结构化特征，其包括用于保持光纤20的裸露部分(使包层暴露，没有保护缓冲和护套层23)的开口槽17，以及用于容纳辅助部分14的通孔15。附加的通孔31和凹部32限定在基部16的中心部分中，以容纳密封材料(例如基于玻璃的密封剂以提供气密封)。间隔件19和盖18的相对边缘限定互补的半圆形切口15a和15b，以形成与基部16上的圆柱形通孔15相对应的圆形开口。(在图1D的视图的取向中,)倒角26沿切口15a的顶边缘设置，并且倒角27在通孔15的底部设置。这些倒角的目的是提供与辅助部分14的凸缘28和29互锁的铆钉状互锁结构，其将在下面结合冲压工艺进一步解释。盖18的与基部16相对的表面可以包括开口槽(未示出)，其与基部16上的槽17互补，以牢固地保持光纤20。如果基部16上的槽17足够深以完全接收光纤20，那么盖18可以具有平坦的相对表面而没有这样的槽。

辅助部分14在图2A-2D中更清楚地示出。辅助部分14在大致圆柱形本体30上限定结构化特征，结构化特征包括具有相对于基部16的较大平面以一角度倾斜的平面的多个冲压结构化反射表面12(即，四个反射器)。每个结构化反射表面12具有平的、凹的或凸的表面轮廓和/或具有对应于以下等效光学元件中的至少一个的光学特性：反射镜、聚焦透镜、发散透镜、衍射光栅或前述的组合。结构反射表面12可以具有限定对应于不同等效光学元件的多于一个区域的复合轮廓(例如被发散的环形区域围绕的聚焦的中心区域)。在一个实施例中，结构反射表面12可以具有凹的非球面反射表面轮廓，其用于反射和再成形(例如准直或聚焦)发散的入射光的功能，而不需要透镜。因此，每个结构化反射表面12用作这样的光学元件，其沿着与各种光学部件和元件(即，光纤20、结构化反射表面12和外部光学部件24)的光轴对准的限定的光路100通过从/向光纤20的输出/输入端21的反射将光向/从外部光学部件24引导(示意性地在图1C和1D中示出)。外部光学部件24可以包括发射器(Tx)中的光源(例如VCSEL)、接收器(Rx)中的光传感器(例如光电二极管)或收发器(Tx/Rx)中的光源和传感器。

如图2A-2D中更清楚地所示，限定在辅助部分14上的结构化特征还包括限定若干短开口槽25的结构，短开口槽限定在沿着本体30的边缘的一部分处，其尺寸做成相对于结构化反射表面12对准地接收光纤20的端部21，并定位成精确地定位光纤的端部。结构化特征还包括肩部5，其限定每个光纤20的端部21的边缘的一部分抵靠的止挡。短槽25和肩部5沿着光路100相对于结构化反射表面12精确地定位和对准光纤20的端部21。每个光纤20的端面(输入/输出端)相对于对应的结构化反射表面12保持在预定距离。

应当注意的是，图1A-1D和2A-2D所示的辅助部分14处于联接到基部16之后的状态。因此，辅助部分14示出为包括如下面进一步讨论的由冲压辅助部分14产生的凸缘28(和凸缘29)。参考图2C，凸缘28从本体30的一侧处的凸起部分延伸。本体的该凸起侧在本体结构中提供附加的高度以容纳结构化反射表面12。该附加高度由间隔件19容纳。虽然附图将间隔件19示出为单独的部件，但是它可以是基部16的整体部分。可替代地，间隔件19可以是盖18的整体部分。

根据本发明，光联接装置10由复合结构表示，该复合结构包括具有一种或多种相异性质的至少两种相异材料，包括但不限于化学、物理、热、电结构等性质，其可以被优化以增强由这些相异材料限定的结构化特征的功能。特别地，光联接装置10的本体的复合结构具有包括基材的基部16和辅助部分14，辅助部分14至少包括与基材成对或互补的相异辅助材料。辅助部分14联接/附接到基部16以形成复合结构。至少辅助部分14的辅助材料通过冲压成形，以形成用于光引导件(例如光纤20)的利用辅助材料的性质和/或对准特征(例如槽)的至少一个结构化特征(例如结构化反射表面12)。基部16还可以成形为限定附加的结构化特征(例如用于保持光纤20的槽17)，其单独利用基材的不同性质。

在复合结构中，相异材料明显地存在于复合结构的不同部分(即，在基部和辅助部分)，因此在复合结构的不同部分呈现相应相异材料的不同性质。因此，在本发明的上下文中，辅助材料在结构上联接或附接到基材以限定在复合结构的不同部分处具有在体积中保持明显区别的不同材料的复合结构，与其在体积中构成两种或更多种相异材料的基于基体的复合物、化合物、合金和/或固溶体形成对照。

因此，基部16提供体积支撑体，辅助部分14联接在其上。根据本发明，至少辅助部分14被冲压以限定一个或多个结构化特征。此外或可替代地，基部16可以包括在联接/冲压辅助部分14之前在其上预先限定的结构化特征(例如通过冲压的槽17)。此外，可以相对于辅助材料和/或基材采取最终冲压步骤，以在辅助部分和/或基部处获得结构化特征的最终所需的光洁度、几何形状和尺寸。基部16可以基于相对较大的公差而成形(例如通过冲压)以限定具有相对不太关键的尺寸、几何形状和光洁度的结构化特征，辅助部分14基于相对较小的公差(例如用于光数据信号传输的小于1000nm的公差)成形以限定具有相对更关键的尺寸、几何形状和/或光洁度的结构化特征。利用这种方法，相对不太关键的结构化特征可以用较小的努力在基部16的体积上成形以保持相对较大的公差，而辅助部分14上的相对更关键的结构化特征在进一步考虑的情况下更精确地成形以在相对较小的公差下限定尺寸、几何形状和/光洁度。

基本上，对于光联接装置10，基部16和辅助部分14一起形成复合结构，其限定用于相对于结构化反射表面12对准光纤20的光具座11，辅助部分14以期望用于对准光纤端部21与结构化反射表面12的相对更关键的几何形状、尺寸和/或光洁度限定结构化反射表面12和对准槽25，基部16包括以相对不太关键的几何形状、尺寸和/或光洁度限定开口槽17的结构，开口槽用于保持裸露光纤20的体积部分而不关注光学对准。通过将槽25包括在还限定结构化反射表面12的相同的单一结构上，与试图基于在单独部件或结构上限定的特征实现类似对准相比，光纤20的端部21到结构化反射表面12的对准可以通过单个最终冲压以相对较小的公差更精确地实现，以同时限定单个部件上的最终结构。通过在相同的单个最终冲压操作中同时形成结构反射表面12和光纤对准结构/槽25，在同一工件/部件上需要(或起到提供)对准的所有特征/部件的尺寸关系可以在最终冲压步骤中保持。此外，用于辅助部分14的材料可以选择为具有对于有高光学反射率的结构化反射表面12而言所期望的高反射效率(例如纯铝)，用于基座16的相异材料可以选择为具有对于基座16而言所期望的性能，例如高刚性、低热膨胀系数等。

光具座11(和图4C和4D中的光具座11')的总体功能结构大致类似于上述nanoPrecision的早期专利文献中公开的一些光具座实施例的结构(即，光纤对准槽与结构化反射表面对准，并且附加特征便于适当的光学对准)。然而，在本发明中，光具座在相异材料上冲压有结构化特征，其中某些结构化特征冲压在更适合于这样的特征(例如在光学对准(例如结构化反射表面12和凹槽25)中起更关键作用并且用于结构化反射表面12的较高光学反射率的结构化特征被冲压在辅助部分14的辅助材料上)的材料上，其它结构化特征冲压在更适合于那样的特征(例如起不太关键的作用但是结构上更强(例如较强的对准槽17被冲压在基部16上)的结构化特征)的另一材料上。这是对先前专利文献中的先前实施例的显着改进。

在本发明的一个方面中，辅助部分14的材料与基部14的相异材料联接，同时辅助部分14上的结构化特征通过冲压形成。在一个实施例中，辅助材料通过冲压(例如以如图1A-1D和2A-2D的实施例中的铆钉状方式)结构地互锁到基材。图3A至3C示意性地示出了形成具有铆钉状互锁结构的复合结构同时形成图2A-2D所示的辅助部分14的结构化特征的冲压过程。

参考图3A，辅助材料构造为大致圆柱形的插头或插入件34的形式，其尺寸设置为装配到基部16中的通孔15中。圆柱形插入件34(和基部16中的大致圆形的圆柱形通孔15)比矩形柱体优选，以减小插入件和基部的材料之间的角部，以便于冲压。在可替代实施例中，圆柱形插入件34可以预先形成有类似于铆钉的头部29'，由此头部29'在冲压后将最终变成凸缘29(图2C)。

图3B示意性地示出了冲压工具40的一部分(简化以避免模糊本文的讨论)，其包括匹配的冲头和模具组以形成辅助部分14的结构化特征。图3C是冲头和模具之间的接触区域的放大图。冲头41被支撑在冲头引导件42中。在这种情况下，冲头41具有钝头。模具43构造有用于形成辅助部分14中的结构化特征(即，结构化反射表面12、肩部5、槽25等)的表面轮廓44，如图2A所示。模具43的顶部限定出接触表面轮廓45，该接触表面轮廓通常包括基本上与包括反射表面12、肩部5和槽25的结构化特征相反的“阳”或凸形表面特征。表面轮廓45设计为考虑对冲压操作的“回弹”的适当的补偿。模具43的表面轮廓44符合待冲压在辅助部分14的表面上的结构化特征。平模具46邻近模具43定位，以在冲压工艺期间支撑待冲压的工件的一部分，并且包含模具43。

为了简单起见，预成型基部16位于模具43上，位于冲头引导件42下方，其中通孔15与冲头41的顶端对准。间隔件19支撑在平模具46和基部之间，并且可以通过先前的接合工艺(如焊接或胶合)接合到基部。插入件34放置在基部16中的通孔15中。

参考图3C，插入件34在冲压操作之前的状态下由虚线表示。当冲头41朝着模具43撞击插入件34时，插入件34塑性变形以填充限定在冲头41、模具43和基部16中的通孔15的壁之间的空间。模具43的表面轮廓45在插入件34的下侧形成互补的表面特征，其现在采取图2A至2D所示的辅助部分14的形状。辅助部分14的顶侧通常是平的，符合冲头41的钝头。因此，辅助部分14的结构化特征通过该冲压操作形成。同时，插入件34的材料填充倒角26和27，形成抵靠倒角26和27的凸缘28和29，凸缘28将间隔件19和辅助部分14互锁到基部16。辅助部分14类似于附接到基部16的铆钉。因此，在单个冲压操作中，形成辅助部分14的结构化特征，并且辅助部分14通过铆钉状结构牢固地联接到基部16。应当注意的是，假定基部16被选择为由(至少相对于冲压)相对较硬的材料制成，则对插入件34冲压形成辅助部分14将不会实质地改变基部16(例如通孔15)的几何形状。辅助部分14的横向外部本体轮廓符合通孔的轮廓(包括倒角)。因此，单个冲压操作将导致辅助部分14在精确限定的相对位置中具有精确限定的整体本体轮廓和特征。因此，形成了复合结构，其具有至少在辅助部分14上限定的结构化特征。

代替具有冲头41的单次冲击的冲压操作，可以想到的是，可以实施多次冲击以在辅助部分14上逐渐预成形某些特征，最终冲击同时限定辅助部分14上的各种结构化特征的最终尺寸、几何形状和/或光洁度。通过在相同的单个最终冲压操作中同时形成结构反射表面12和光纤对准结构/槽25，可以在最终冲压步骤中维持需要(或有作用)在相同工件/元件上对准的所有特征/部件的尺寸关系。

图3D示出了作为冲压操作的结果，辅助部分14中的塑性应变的软件模拟的结果。如所预期的，较高的塑性应变存在于高接触压力区域，包括凹形区域49以及凸缘28和29处，凹形区域包括结构化反射表面12和槽25。

图4A和4B示出了由基部16和与其联接的辅助部分14的复合结构形成的光具座11的两侧。在图4A中，辅助部分14示出为包括结构化反射表面12和槽25。形成在辅助部分14上的一些结构化特征可以与形成在基部16上的一些结构化特征对准。例如，槽25与基部16上的槽17对准。图4C和4D是已经经受冲压操作的样板光具座11'的图像。

辅助部分14的表面上的压痕(即，结构化特征)的形成涉及一般称为“精压(coin)”的工艺。根据本发明的一个实施例，辅助部分14的结构化特征可以通过精密冲压柔软的或可延展的材料(优选金属，例如纯铝)来形成。基于先前的实验结果，已经发现冲压的结构化反射表面可以在1mm直径区域上实现小于1μm的峰谷形式误差。基于扫描白光干涉法的表面粗糙度(Ra)在8nm或更好的数量级。可延展材料在冲头和模具之间的压缩对于高反射镜面质量的表面产生高接触压力。

在美国专利No.7,343,770中公开了精密冲压工艺和设备，该专利共同转让给本发明的受让人。该专利通过引用完全并入本文，如同在本文中完全阐述。其中公开的工艺和冲压系统可以适于精密冲压本发明的联接装置10中的光具座11的特征(包括本文公开的辅助部分14和基部16的结构化特征)，其包括如上所述的复合结构。冲压工艺和系统可以生产具有至少1000nm的公差(即，1000nm或更小/更好的公差)的零件。该系统可以实施以进行用于冲压的各种操作，如锻造、冲裁、压印、精压、压缩、弯曲、挤压、穿孔、开槽等。上述公开的具有结构化反射表面和光纤保持结构的联接装置的开口结构适合于大规模生产工艺，例如冲压，其是低成本高生产量的工艺。在本文的讨论中，省略了对理解本发明构思不必要的冲压系统和工艺的各种细节。

图5A至5C示出了冲压工具50的实施例，其结合在美国专利No.7,343,770中公开的冲压系统的潜在的新颖特征，并且配置为执行冲压操作以将金属插入件压在基部中以形成上述公开的复合结构。冲压工具50包括工具基部51、附接到工具基部51的模具座52、位于模具座52上方的掩模53。该冲压工具50基本上包括图3A至3C所示的冲压工具40的基本部件。具体地，模具座52支撑模具43和平模46，并且掩模53容纳引导冲头41的冲头引导件42。在该实施例中，掩模53还容纳用于工件(例如基部16)的弹簧加载保持器54。冲压工具50还包括具有可由弹簧柱塞57移动的楔形件56的平模高度调节器55。图5C是冲头和模具之间的接触区域的放大图。

在操作中，弹簧加载保持器54缩回以将工件/基部16和插入件34放置在冲头41下方。通过旋转弹簧柱塞来以水平移动楔形件56来调整平模46的高度以将间隔件19支撑在期望的位置。在冲压操作之后，弹簧加载保持器54缩回以释放冲压件(即，具有联接到其上的辅助部分16的基部16)。

冲压工具50可以合并在冲压系统中，冲压系统可以包括顺序模具，其提供了以最小的处理将原料卷材材料转换成成品的有效方式。零件材料在每个压循环中进给一个进程。随着材料在模具中从站到站的进给，其逐渐地转变为完整的部分。

图6示意性地示出了金属原材料的冲压操作，该金属原材料为具有选定宽度W(例如20mm)和选定厚度T(例如3mm)的金属纵向扁平带或条60的形式(等同于一系列连接的坯料)，该选定厚度T将提供图1A-1D的实施例的基部16所期望的厚度。条60的材料可以选择为具有高刚度(例如不锈钢)、化学惰性(例如钛)、高温稳定性(镍合金)、低热膨胀(例如殷钢)或者匹配其它材料的热膨胀(例如用于匹配玻璃的科瓦铁镍钴合金)。

条60具有沿着条60的脊部62形成的一系列分度孔(indexing hole)61。条60被进给通过一系列冲压站/模具，经受精密冲压操作以形成基部16的期望特征。分度孔61用于在条60进给通过冲压站时对其进行分度。在整个条60逐渐进给通过第二冲压站之前，整个条60可以逐渐进给通过第一冲压站等。可替代地，条60可以连续地进给通过一系列顺序的冲压站(或顺序模具)。光具座11中的基部16上的特征可以通过一序列的冲压操作逐渐形成，以同时限定基部16的最终几何形状、尺寸和/或表面特征的光洁度，特征的最终几何形状由序列内的单个冲压操作限定。

如早先结合较早的实施例所述，可以采用美国专利No.7,343,770(其共同转让给本发明的受让人)中公开的精密冲压工艺和装置冲压条60以形成基部16的特征。

如图6所示，条60的一部分已经受到冲压操作。多个冲压节段64沿着条60被限定。为了简单起见，在图6所示的实施例中，每个冲压节段64对应于分度孔61(换句话说，相邻分度孔61的间距与相邻节段6的间距相同)。为了说明的目的，条60用于形成结合上面图1A-1D描述的基部16(除了在图6所示的实施例中，间隔件19现在与基部16成一体)。具体地如所示的，在每个节段64处，通过在脊部62的两侧上冲压而形成两个基部16。

箭头A表示条60的进给方向。节段64g表示在冲压循环结束时的“完成的”冲压节段，此时基部16的特征最终通过冲压形成。给定进给方向(箭头A)。节段64a表示冲压循环的开始。如图6所示，通过冲压操作同时形成两个相同的基部16，其中在脊部62的两侧上的两个部分是彼此的镜像。该“双联(two-up)”构造实现某些优点，即其提供沿着条60的中心轴线对称的力，从而在冲压操作期间提供稳定性，这提高了冲压操作的完整性和精度。

具体地在节段64a处，基部的外边界被成形(例如通过冲裁操作)。在节段64b至64c处，表面特征是逐渐形成的(例如间隔件19和凹部32通过锻造操作形成)。在节段64d处，形成通孔15和31(例如通过压印操作)。槽17在节段64e处粗糙地形成(例如通过精压操作)。在节段64f处，围绕槽的平面表面63变平(例如通过压缩操作)。在节段64g处，最终精确地形成槽17。节段64e至64g设计为补偿来自冲压相对硬的基部材料(例如科瓦铁镍钴合金)的回弹。这完成了在基部16上形成结构化特征的循环。基部16通过沿着虚线65从条60中的脊部62切割而单个化。基部16可以经受进一步处理(例如表面精加工和/或涂覆，如镀金以改善抗腐蚀等)。

单个化的基部16被倒置，并且使用图5中的冲压工具50进行金属插入件34的冲压，如上所述。

上述实施例说明了如何通过在具有复合结构的单个部件上进行冲压操作来形成限定在光具座上的特征和部件的基本组合，以实现具有紧密(即小)公差的光学对准的限定光路100。可以配置实现不同光路的其它构造，比如用具有类似限定光路的冲压光具座重新配置现有技术的硅光具座。与相应的硅光具座相比，冲压的光具座可以具有类似的总尺寸和构造，以及类似的占用面积。冲压的光具座将向后兼容以替换硅光具座。可以想到的是，冲压光具座可以配置为具有比硅光具座更小的占用面积和整体尺寸。

在辅助部分14的表面处的上述结构化特征由相同的原材料(即，插入件34)整体冲压而成。具有限定在其上的适当特征的匹配冲头和模具可以应用在一系列冲压操作中，以获得基部16和辅助部分14的上述特征的期望几何形状。优选地，至少对精确光学对准关键的特征经受最终冲压操作，通过该最终冲压操作，这样的特征最终同时限定在相同的(例如整体的或统一的)单个辅助部分14上。对于所示实施例，这包括至少结构化反射表面12、肩部5和对准槽25。这些结构化特征可以在一序列冲压操作期间单独地预成型，但是它们经受使用具有表面轮廓45的模具的最终冲压操作，该表面轮廓45整体地和/或同时地限定在相同(整体的或统一的)辅助部分12上彼此相关的这些特征的组合的最终几何形状。通过在相同的单个最终冲压操作中同时形成结构反射表面12和光纤对准结构/槽25，可以在最终冲压步骤中维持需要(或提供)在相同工件/零件上对准的所有关键特征/部件的尺寸关系。因此，端部21保持在对准槽5中的光纤20具有与结构化反射表面12精确预定关系定位的端面，从而符合至少在光纤20和结构化反射表面12之间的期望光路100(例如图1D所示的光路100)。

根据另一实施例，代替上述实施例中在辅助部分14和基部16之间产生互锁铆钉状结构，基部16和间隔件19没有设置倒角26和27，并且在冲压操作中，插入件34简单地在基部16中的通孔15中形成紧密的机械配合。

在又一实施例中，辅助材料可在压力下熔合到基材，该压力来源于将相异材料冲压到基材上；这可以在基部和辅助部分由化学上相似的金属(例如两种铝合金)制成时实现。例如，辅助部分可以是金属层(例如纯铝)的形式，其被冲压以形成结构化特征并且同时与下面的基材(例如铝6061合金)熔合，以形成复合结构。

在又一实施例中，在冲压涂层以在涂层的表面上形成结构化特征之前，可以在基材上预形成涂层(例如镀金)形式的辅助部分。

在上述实施例中，辅助材料被选择为可延展的以通过冲压操作成形。基材也可以选择为可延展的以通过冲压成形。在一个实施例中，辅助材料(例如纯铝)被选择为相对较软并且比基材(例如科瓦铁镍钴合金)更可延展/柔软，以获得辅助部分处的关键特征(例如光反射表面)的所需几何形状、尺寸和/光洁度。较硬的基材(例如科瓦铁镍钴合金)被选择以形成需要较硬材料的完整性的结构，但是冲压较硬的基材将需要更大的力并且导致更多的回弹，从而需要冲压冲头的多次冲击以获得期望的形状。相反，被选择用于冲压辅助部分的相对较软的辅助材料需要更少的冲压力，并且导致更少的回弹，从而需要冲头的相对较少的冲击(例如仅一次冲击)以获得冲压部件。因此，微特征可以以非常小的公差冲压。较硬的基材还用作模具的一部分，其在冲压操作期间部分地使辅助部分14成形。

在又一实施例中，辅助部分(例如以插头或铆钉的形式)包括另外的复合结构，其包括与用于冲压不同结构化特征的不同性质相关联的至少两种相异的辅助材料(例如双金属材料)。图7A至7C示意性地示出了一个实施例，其中辅助部分114是双金属结构。在图7A中，光具座111由包括基部116和辅助部分114的复合结构形成。该光具座111支撑一束四个光纤20，其具有与辅助部分处的结构化反射表面112对准的端部21。基部116设置有用于支撑裸露光纤20的体积部分的槽117。该光具座111的一般结构大部分类似于前述实施例中讨论的光具座11的结构，除了辅助部分114。在该实施例中，辅助部分114通常是具有圆角的大致矩形横截面的柱形，包括两种相异材料170和171的复合结构。在图7B和7C中，材料170和171之间的界面172通常是垂直的。此外，在该实施例中，机械基准或对准特征169形成在基部116的平面表面163上，这有助于光具座111相对于外部光学部件(例如图1D中的光学部件24)的对准和/或精确定位。在该实施例中不需要盖(与图1A至1D的实施例中的盖18相比)。

图7B示出了在上文参考图3A至3C讨论的冲压工具40中在经受冲压操作之前的插头或插入件134，其可以是上文参照图5A至5C讨论的冲压工具50的一部分。

在冲压时，如图7C所示，插入件134的相异材料被挤压而塑性变形，以符合模具43的轮廓45和间隔件119的倒角126以及基部116中的通孔115的倒角127。材料170对应于通过冲压操作形成槽125的区域，并且材料171对应于通过冲压操作形成结构化反射表面212的区域。材料170和171两者在相同的冲压操作中冲压，以在材料170和171两者上基本上同时形成结构化特征。

在一个实施例中，材料170可以是铝合金，并且材料171可以是纯铝。与纯铝相比，铝合金是相对较硬的材料，因此导致具有用于对准光纤20的更好的结构完整性的结构。另一方面，选择纯铝以用于其高光学反射率。基部116的材料可以是科瓦铁镍钴合金，其选择是因为其强度、硬度、低热膨胀系数和与玻璃密封剂的玻璃匹配特性以实现气密封。

因此，参考图7A至7C，光具座111可以通过使用包括三种相异材料的复合结构来实现进一步改善的性能，其中每种材料针对光具座111的不同部分期望的特定结构，功能和性能进行优化。

图8A至8C示出了用于支撑更大数量(例如十二个)光纤的光联接装置210的另一实施例，其可以通过冲压如上所述的复合结构而形成。光具座211包括复合结构，该复合结构包括相异材料的基部216和辅助部分214。基部216设置有成形为用于联接辅助部分214的通孔215。在该实施例中，间隔件219是基部216的一体部分。提供盖218。辅助部分214具有带有大致拉伸的椭圆形横截面的大致圆柱形的本体，其成形为限定结构化反射表面212，以及用于使光纤20的端部21相对于结构化反射表面212对准的槽225。辅助部分214可以包括用于冲压结构化反射表面的第一类型辅助材料和用于冲压对准用结构化特征的相异的第二类型辅助材料，如上述图7的实施例的情况。基部216成形为限定尺寸上不太关键的结构化特征，如用于保持裸露光纤20的主体部分而不需要光学对准的槽217。

虽然前述实施例是结合具有相异金属材料的复合结构来描述的，但是可以形成根据本发明的复合结构，包括以下：(a)金属辅助材料和金属基材；(b)金属辅助材料和非金属基材；以及(c)非金属辅助材料和金属基材。例如，基部可以由陶瓷材料制成，并且辅助部分由金属制成。辅助部分可以从插入到陶瓷基部中的相对软并且柔软的金属插入件冲压和压制。脆性陶瓷体中的柔软插入件可以冲压和成形以获得精确的细节表面特征，包括反射光学器件。因此，可以在陶瓷基底中容易地获得反射光学器件。可替代地，可以冲压基部上的过模制聚合物以形成所需的表面特征。

在另一实施例中，在使辅助部分经受冲压操作之前，相异的辅助部分可以通过其它方式(例如粘结、焊接、铆接等)附接到基部。

尽管上述实施例结合作为光学部件的光纤进行讨论，但是具有复合结构的光具座可以构造为支撑和光学对准其它类型的光学部件，例如透镜、光发射器(Tx)、光接收器(Rx)、光收发器(Tx/Rx)等。

本发明可以实施为在各种装置中精确地形成结构化特征，如在转让给nanoPrecision Products,Inc.的专利文献中公开的那些，其已经在本文的背景技术部分中进行讨论。本发明可以实施为生产具有实现或超过现有技术的硅光具座的功能的结构化特征的光学子组件和冲压光具座，如在US2003/223131A1；美国专利No.6,869,231；美国专利No.8,103,140和美国专利No.8,168,939中讨论的那些。

虽然参考优选实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神，范围和教导的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。因此，所公开的发明仅被认为是说明性的，并且仅在所附权利要求中特定的范围内限定。