KR20170007429A - 구조화된 특징부를 갖는 이종 재료의 복합 구조체를 형성하기 위한 스탬핑 - Google Patents

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KR20170007429A
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수허 리
로버트 라이언 밸런스
마이클 케이. 바노스키
용셩 자오
매튜 진
테오드로스 멘게샤
랜드 디. 댄넨버그
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나노프리시젼 프로덕츠 인코포레이션
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Abstract

복합 구조체는 이종 재료의 기부 및 보조부를 포함한다. 보조부는 스탬핑에 의해 성형된다. 보조부가 스탬핑됨에 따라, 이는 기부와 상호잠금하고, 동시에 구조화된 반사면, 정렬 특징부 등과 같이 원하는 구조화된 특징부를 보조부 상에 형성한다. 이 접근법에 의해, 비교적 적은 임계 구조화된 특징부가 비교적 더 큰 공차를 유지하도록 적은 노력으로 기부의 벌크 상에 성형될 수 있고, 반면에 보조부 상의 비교적 더 많은 임계 구조화된 특징부가 비교적 더 작은 공차에서 치수, 기하학 구조 및/또는 마감부를 형성하도록 추가의 고려로 더 정밀하게 성형된다. 보조부는 상이한 구조화된 특징부를 스탬핑하기 위해 상이한 특성과 연계된 2개의 이종 재료의 복합 구조체를 포함할 수도 있다.

Description

구조화된 특징부를 갖는 이종 재료의 복합 구조체를 형성하기 위한 스탬핑 {STAMPING TO FORM A COMPOSITE STRUCTURE OF DISSIMILAR MATERIALS HAVING STRUCTURED FEATURES}
1. 우선권 주장
본 출원은 (1) 2014년 5월 15일 출원된 미국 가특허 출원 제61/994,094호의 우선권을 주장하고, (2) 2015년 4월 23일 출원된 미국 특허 출원 제14/695,008호의 일부 계속 출원이고, 이 미국 특허 출원 제14/695,008호는 2013년 4월 11일 출원된 미국 특허 출원 제13/861,273호의 일부 계속 출원이고, 이 미국 특허 출원 제13/861,273호는 (a) 2012년 4월 11일 출원된 미국 가특허 출원 제61/623,027호를 우선권 주장하고, (b) 2012년 9월 10일 출원된 미국 가특허 출원 제61/699,125호를 우선권 주장하고, (c) 2012년 3월 5일 출원된 미국 가특허 출원 제61/606,885호의 우선권을 주장하는 2013년 3월 5일 출원된 미국 특허 출원 제13/786,448호의 일부 계속 출원이다. 이들 출원들은 본 명세서에 완전히 설명된 것처럼 참조로서 완전히 합체되어 있다. 이하에 언급되는 모든 공보들은 본 명세서에 완전히 설명된 것처럼 참조로서 완전히 합체된다.
2. 발명의 분야
본 발명은 정밀 스탬핑(precision stamping), 특히 광학 신호 전송과 관련하여 사용을 위한 정밀 스탬핑, 더 구체적으로는 광학 데이터 신호를 라우팅(routing)하기 위한 디바이스를 제조하기 위한 정밀 스탬핑에 관한 것이다.
3. 종래기술의 설명
본 발명의 양수인인, 나노프리시젼 프로덕츠, 인크.(nanoPrecision Products, Inc.)는 광학 데이터 전송과 관련하여 사용된 다양한 전유의(proprietary) 디바이스를 개발하였다. 예를 들어, US2013/0322818A1호는 기부; 기부 상에 형성된 구조화된 표면(structured surface)으로서, 구조화된 표면은 입사광을 재성형하고 그리고/또는 반사하는 표면 프로파일을 갖는, 구조화된 표면; 및 기부 상에 형성되며, 구조화된 표면과 광학 구성요소 사이의 규정된 경로를 따라 광이 전송되게 하기 위해 구조화된 표면과 광학 정렬되게 기부 상에 광학 구성요소를 위치설정하는 것을 용이하게 하도록 표면 특징부를 갖고 구성된 정렬 구조체로서, 구조화된 표면 및 정렬 구조체는 기부의 가단성 재료(malleable material)를 스탬핑함으로써 기부 상에 일체로 형성되는, 정렬 구조체를 포함하는, 광학 데이터 신호를 라우팅하기 위한 스탬핑된 구조화된 표면을 갖는 광학 커플링 디바이스(optical coupling device), 특히 광학 신호를 라우팅하기 위한 광학 커플링 디바이스를 개시하고 있다.
US2013/0294732A1호는 또한 일체형 광학 요소를 갖는 밀폐형 광파이버 정렬 조립체, 특히 광파이버의 단부 섹션을 수용하는 복수의 홈을 갖는 페룰부(ferrule portion)를 포함하고, 여기서 홈은 페룰부와 관련한 단부 섹션의 위치 및 배향을 규정하는, 밀폐형 광파이버 정렬 조립체를 개시하고 있다. 조립체는 광전 모듈 내의 광전 디바이스에 광파이버의 입력/출력을 커플링하기 위한 일체형 광학 요소를 포함한다. 광학 요소는 구조화된 반사면의 형태일 수 있다. 광파이버의 단부는 구조화된 반사면에 대해 규정된 거리에 있고 그와 정렬된다. 구조화된 반사면 및 파이버 정렬 홈은 스탬핑에 의해 형성될 수 있다.
미국 특허 출원 제14/695,008호는 광학 통신 모듈에 사용을 위한 광학 신호를 라우팅하기 위한 광학 커플링 디바이스, 특히, 입사광을 재성형하고 그리고/또는 반사하는 표면 프로파일을 갖는 구조화된 표면, 및 기부 상에 형성되고 구조화된 표면과 광학 구성요소 사이의 규정된 경로를 따라 광이 전송되게 하기 위해 구조화된 표면과 광학 정렬되게 기부 상에 광학 구성요소를 위치설정하는 것을 용이하게 하도록 표면 특징부를 갖고 구성된 정렬 구조체가 기부 상에 형성되어 있는, 광학 커플링 디바이스를 또한 개시하고 있다. 구조화된 표면 및 정렬 구조체는 기부의 가단성 재료를 스탬핑함으로써 기부 상에 일체로 형성된다. 정렬 구조체는 구조화된 표면과 광학 구성요소 사이의 규정된 경로를 따라 광이 전송되게 하도록 구조화된 표면과 광학 정렬되게 기부 상의 광학 구성요소의 수동 정렬을 용이하게 한다. 구조화된 표면은 입사광을 반사하고 그리고/또는 재성형하는 반사면 프로파일을 갖는다.
미국 특허 제7,343,770호는 작은 공차부를 제조하기 위한 신규한 정밀 스탬핑 시스템을 개시하고 있다. 이러한 발명적인 스탬핑 시스템은 전술된 특허 공보들에 개시된 디바이스를 제조하기 위해 다양한 스탬핑 프로세스에서 구현될 수 있다. 이들 스탬핑 프로세스는, 다른 형성된 표면 특징부와 정밀하게 정렬하여 원하는 기하학 구조를 갖는 반사면을 포함하여, 기밀한(즉, 작은) 공차에서 최종 표면 특징부를 형성하기 위해, 벌크 재료(예를 들어, 금속 블랭크)를 스탬핑하는 것을 수반한다.
종래, 스탬핑이 실시되는 벌크 재료는 동종 재료(homogenous material)[예를 들어, 코바(Kovar), 알루미늄 등과 같은 금속의 스트립]이다. 스탬핑 프로세스는 단일의 동종 재료로부터 구조적 특징부를 제조한다. 따라서, 상이한 특징부가 재료의 특성을 공유할 것이고, 이는 하나 이상의 특징부에 대해 최적화되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 정렬 특징부를 스탬핑하기 위해 적합한 특성을 갖는 재료는 광학 신호 손실을 감소시키기 위해 최선의 광 반사 효율을 갖는 반사면 특징부를 스탬핑하기 위해 적합한 특성을 소유하지 않을 수도 있다.
저감된 비용에서, 향상된 구조적 특징, 기능성, 성능, 신뢰성 및 제조성을 갖는 디바이스를 제조하기 위한 개량된 스탬핑 프로세스가 요구된다.
본 발명은 구조화된 특징부(예를 들어, 마이크로 특징부)를 형성하도록 정밀 스탬핑되는 복합 구조체, 및 더 구체적으로는 광학 신호 전송[센서와 같은 마이크로 전자기계 시스템(MEMS)을 위한 광학 전송을 포함함]과 관련하여 사용을 위한 이러한 구조화된 특징부를 갖는 디바이스를 제공함으로써, 이전의 스탬핑 프로세스에 비해 더 개량한다.
본 발명에 따르면, 복합 구조체는, 이들 이종 재료에 의해 형성될 구조화된 특징부의 기능성을 향상시키도록 최적화될 수도 있는 화학적, 물리적, 열적, 전기적, 구조적 등의 특성을 비한정적으로 포함하는 하나 이상의 이종 특성을 갖는 적어도 2개의 이종 재료를 포함한다. 특히, 복합 구조체는 기부 재료를 포함하는 기부 및 기부 재료에 쌍을 이루는 또는 상보적인 적어도 이종 보조 재료를 포함하는 적어도 보조부를 갖는다. 보조부는 기부에 커플링된다. 적어도 보조부의 보조 재료는 보조 재료의 특성을 이용하는 적어도 하나의 구조화된 특징부(예를 들어, 광반사면 특징부 및/또는 도파로 또는 광원/수신기를 위한 정렬 특징부)를 형성하도록 스탬핑에 의해 성형된다. 기부는 또한 기부 재료의 특성을 이용하는 상이한 구조화된 특징부(들)를 형성하도록 성형될 수도 있다.
복합 구조체에서, 이종 재료는 복합 구조체의 상이한 부분에(즉, 기부 및 보조부에) 별개로 존재하여, 따라서 복합 구조체의 상이한 부분에서 각각의 이종 재료의 상이한 특성을 나타낸다. 이에 따라, 본 발명의 맥락에서, 보조 재료는, 벌크로 2개 이상의 이종 재료의 매트릭스 기반 복합물, 합성물, 합금 및/또는 고용체를 구성하는 구조체에 대조적으로, 복합 구조체의 상이한 부분에서 벌크로 실질적으로 별개로 남아 있는 상이한 재료를 갖는 복합 구조체를 형성하도록 기부 재료에 구조적으로 커플링되거나 부착된다(2개의 상이한 재료의 계면에서 표면 부근의 분자 레벨에서 존재하는 임의의 가능한 약간의 합성/합금은 무시함).
기부는 보조부가 커플링되어 있는 벌크 지지체를 제공할 수도 있다. 적어도 보조부는 하나 이상의 구조화된 특징부를 형성하도록 스탬핑된다. 추가로 또는 대안적으로, 기부는 보조부를 커플링/스탬핑하기 전에 그 위에 미리 형성된(예를 들어, 스탬핑에 의해) 구조화된 특징부를 포함할 수도 있다. 게다가, 최종 스탬핑 단계가 보조부 및/또는 기부에서 구조화된 특징부의 원하는 마감부, 기하학 구조 및 치수를 얻기 위해 보조 재료 및/또는 기부 재료에 관하여 착수될 수도 있다.
일 실시예에서, 적어도 보조 재료를 갖는 이종 부분은 기부의 적어도 일부 상에 코팅된다. 다른 실시예에서, 이종 부분은 다른 수단(예를 들어, 본딩, 용접, 리벳팅 등)에 의해 기부에 부착될 수도 있다.
다른 실시예에서, 적어도 하나의 이종 보조부는 스탬핑에 의해 기부에 커플링된다. 보조 재료는 기부 재료 상에 이종 재료를 스탬핑하는 것으로부터 압력 하에서 기부 재료에 융착될 수도 있는데; 이는 기부 및 보조부가 유사한 화학적 조성을 가질 때(예를 들어, 2개의 알루미늄 합금) 가능하다. 대안적으로, 보조 재료는 스탬핑에 의해 기부 재료에 구조적으로 상호잠금된다. 일 실시예에서, 보조 재료는 기부 내의 개구 내에 배치되는 인서트의 형태로 구성된다. 인서트는 스탬핑되어, 기부에 관하여 상호잠금 구조체(예를 들어, 플러그 또는 리벳형 상호잠금 구조체)를 생성하고, 동시에 인서트 상에 원하는 구조화된 특징부를 형성한다.
보조 재료는 스탬핑에 의한 성형을 위해 가단성이 되도록 선택된다. 기부 재료는 또한 스탬핑에 의한 성형을 위해 가단성이 되도록 선택될 수도 있다. 일 실시예에서, 보조 재료는 보조부에서 임계 특징부(예를 들어, 높은 광학 반사면)의 원하는 기하학 구조, 치수 및/또는 마감부를 얻기 위해, 기부 재료보다 비교적 더 가단성/연성이 되도록 선택된다.
본 발명의 일 실시예에서, 기부는 비교적 더 큰 공차에 기초하여 비교적 적은 임계 치수, 기하학 구조 및 마감부를 갖는 구조화된 특징부(들)를 형성하도록 성형될(예를 들어, 스탬핑에 의해) 수도 있고, 보조부는 비교적 더 작은 공차에 기초하여 비교적 더 많은 임계 치수, 기하학 구조 및/또는 마감부를 갖는 구조화된 특징부(들)를 형성하도록 성형된다. 이 접근법에 의해, 비교적 적은 임계 구조화된 특징부는 비교적 더 큰 공차를 유지하도록 적은 노력으로 기부의 벌크 상에 성형될 수 있고, 반면에 보조부 상의 비교적 더 많은 임계 구조화된 특징부가 비교적 더 작은 공차에서 치수, 기하학 구조 및/또는 마감부를 형성하도록 추가의 고려로 더 정밀하게 성형된다.
다른 실시예에서, 보조부(예를 들어, 플러그 또는 리벳의 형태의)는 상이한 구조화된 특징부를 스탬핑하기 위한 상이한 특성과 연계된 적어도 2개의 이종 보조 재료(예를 들어, 바이메탈 재료)를 포함하는 복합 구조체를 포함한다.
일 실시예에서, 광학 벤치 및/또는 광학 커플링 디바이스가 상기와 같이 복합 구조체를 형성하기 위해 스탬핑에 의해 형성될 수 있다. 보조부는 구조화된 반사면, 및 구조화된 반사면에 관하여 광파이버의 단부 부분을 정렬하기 위한 다른 구조화된 특징부를 형성하도록 성형된다. 보조부는 정렬을 위해 구조화된 반사면을 스탬핑하기 위한 제1 유형의 보조 재료 및 구조화된 특징부를 스탬핑하기 위한 이종의 제2 유형의 보조 재료를 포함할 수도 있다. 기부는 광파이버를 보유하기 위한 홈과 같이,
비교적 적은 치수적으로 임계적인 구조화된 특징부를 형성하도록 성형된다.
본 발명의 복합 구조체는 (a) 금속 보조 재료 및 금속 기부 재료; (b) 금속 보조 재료 및 비금속 기부 재료; 및 (c) 비금속 보조 재료 및 금속 기부 재료를 포함할 수도 있다.
본 발명은 본 명세서의 배경기술 섹션에서 설명되어 있는 나노프리시젼 프로덕츠, 인크.에 양도된 특허 문헌들에 개시된 것들과 같은, 다양한 디바이스 내에 마이크로 구조화된 특징부를 정밀하게 형성하도록 구현될 수 있다. 본 발명은 예를 들어, US2003/223131A1호; 미국 특허 제6,869,231호; 미국 특허 제8,103,140호; 및 미국 특허 제8,168,939호에 설명된 실리콘 광학 벤치의 기능성을 성취하거나 초과하는 구조화된 특징부를 갖는 스탬핑된 광학 벤치 및 광학 서브조립체를 제조하도록 구현될 수 있다.
본 발명, 뿐만 아니라 바람직한 사용 모드의 성질 및 장점의 더 완전한 이해를 위해, 첨부 도면과 함께 숙독되는 이하의 상세한 설명을 참조할 것이다. 이하의 도면에서, 유사한 도면 부호는 도면 전체에 걸쳐 유사한 또는 비슷한 부분을 나타낸다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 구조체를 갖는 스탬핑된 광학 벤치를 갖는 광학 커플링 디바이스를 도시하고 있고; 도 1b는 그 분해도이고, 도 1c는 도 1b의 보조부의 영역의 확대도이고; 도 1d는 도 1a의 라인 1D-1D를 따라 취한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조부의 다양한 도면을 도시하고 있다.
도 3a는 스탬핑에 의해 보조부를 형성하기 위한 인서트의 개략도이고; 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 스탬핑 공구의 부분을 개략적으로 도시하고 있고, 도 3c는 도 3b의 접촉 영역의 확대도이고, 도 3d는 스탬핑 작업이 실시된 후에 보조부 내의 플라스틱 스트레인의 시뮬레이션 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 광학 벤치의 다양한 도면이고, 도 4c 및 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 광학 벤치의 다양한 이미지이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 스탬핑 공구를 개략적으로 도시하고 있고; 도 5b는 도 5a의 라인 5B-5B를 따라 취한 단면도이고; 도 5c는 도 5b의 접촉 영역의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 벤치의 스탬핑을 위한 금속의 스트립의 사시도이다.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 구조체를 갖는 광학 벤치의 사시도이고; 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 스탬핑 공구의 부분을 개략적으로 도시하고 있고; 도 7c는 도 7b의 접촉 영역의 확대도이다.
도 8a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 구조체를 갖는 스탬핑된 광학 벤치를 갖는 광학 커플링 디바이스를 도시하고 있고; 도 8b는 그 분해도이고, 도 8c는 도 8a의 라인 8C-8C를 따라 취한 단면도이다.
본 발명이 도면을 참조하여 다양한 실시예를 참조하여 이하에 설명된다. 본 발명은 본 발명의 목적을 성취하기 위한 최선의 모드의 견지에서 설명되지만, 변형이 본 발명의 사상 또는 범주로부터 벗어나자 않고 이들 교시에 비추어 성취될 수도 있다는 것이 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 구조화된 특징부를 형성하도록 정밀 스탬핑된 복합 구조체, 및 더 구체적으로는 광학 신호 전송과 관련하여 사용을 위한 이러한 구조화된 특징부를 갖는 디바이스를 제공함으로써, 종래의 스탬핑 프로세스에 비해 더 개량한다.
본 발명의 개념은 광학 신호를 라우팅하기 위해 광학 구성요소(예를 들어, 광파이버)의 입력/출력 단부를 물리적으로 그리고 광학적으로 커플링하기 위해 사용을 위한 광학 커플링 디바이스의 예를 참조하여 설명될 것이다. 본 발명은 다른 분야에 사용되는 구조체 및 부분을 형성하는데 적용될 수도 있다.
이하에 설명되는 예에서, 커플링 디바이스는 외부 송신기(Tx)/수신기(Rx)로부터/로 광파이버로/로부터 광학 신호를 라우팅/재지향하기 위한 스탬핑된 반사면을 갖고 구현된다. 이하에 설명되는 광학 커플링 디바이스의 구조체는 예를 들어, US2013/0294732A1호의 광학 커플링 디바이스와 관련하여 개시된 구조체와 유사한 방식으로 광을 재지향한다. 그러나, 본 발명은 디바이스 내에 구조화된 특징부를 형성하기 위해 본 발명의 복합 구조체 및 연계된 스탬핑 프로세스를 구현함으로써, 재지향 광과 연계된 구조화된 특징부(구조화된 반사면 및 연계된 정렬 특징부를 포함할 수도 있음)를 형성하기 위한 상이한 접근법을 채택한다.
도 1a 내지 도 1d는 광파이버의 형태의 광학 구성요소와 관련하여 사용을 위한 커플링 디바이스(10)를 도시하고 있다. 광파이버 케이블(22)은 보호 버퍼 및 자켓층(23)에 의해 보호된 4개의 광파이버(20)를 갖는다. 커플링 디바이스(10)는 보조부(14), 기부(16), 커버(18), 및 스페이서(19)를 포함한다. 기부(16)는 광파이버(20)의 노출된 섹션[보호 버퍼 및 자켓층(23)이 없이, 클래딩이 노출되어 있음]을 보유하기 위한 개방 홈(17), 및 보조부(14)를 수용하기 위한 관통 구멍(15)을 포함하는 구조화된 특징부를 형성한다. 부가의 관통 구멍(31) 및 포켓(32)이 기부(16)의 중앙부에 형성되어, 밀봉 재료(예를 들어, 밀폐형 밀봉부를 제공하기 위한 유리계 밀봉제)를 수용한다. 스페이서(19) 및 커버(18)의 대향 에지는 기부(16) 상에 원통형 관통 구멍(15)에 대응하는 원형 개구를 형성하기 위한 상보형 반원형 절결부(15a, 15b)를 형성한다. 모따기부(26)가 절결부(15a)의 상부 에지를 따라 제공되고, 모따기부(27)가 관통 구멍(15)의 저부에(도 1d의 도면에서의 배향에서) 제공된다. 이들 모따기부의 목적은 보조부(14)의 플랜지(28, 29)를 갖는 리벳형 상호잠금 구조체를 제공하는 것인데, 이는 스탬핑 프로세스와 관련하여 이하에 더 설명될 것이다. 기부(16)에 대향하는 커버(18)의 표면은 광파이버(20)를 견고하게 보유하기 위해 기부(16) 상의 홈(17)을 보충하는 개방 홈(도시 생략)을 포함할 수도 있다. 커버(18)는 기부(16) 상의 홈(17)이 광파이버(20)를 완전히 수용하도록 충분히 깊으면, 이러한 홈이 없는 평평한 표면을 가질 수도 있다.
보조부(14)는 도 2a 내지 도 2d에 더 명백히 도시되어 있다. 보조부(14)는 기부(16)의 더 큰 평면에 대해 소정 각도로 경사진 평면을 갖는 다수의 스탬핑된 구조화된 반사면(12)(즉, 4개의 반사체)을 포함하여, 일반적으로 원통형 본체(30) 상에 구조화된 특징부를 형성한다. 각각의 구조화된 반사면(12)은 편평한, 오목한 또는 볼록한 표면 프로파일을 가질 수도 있고 그리고/또는 이하의 등가의 광학 요소: 미러, 포커싱 렌즈, 발산 렌즈, 회절 격자, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나에 대응하는 광학 특징을 소유할 수도 있다. 구조화된 반사면(12)은 상이한 등가의 광학 요소에 대응하는 하나 초과의 영역(예를 들어, 발산하는 환형 영역에 의해 둘러싸인 포커싱하는 중앙 영역)을 형성하는 합성 프로파일을 가질 수도 있다. 일 실시예에서, 구조화된 반사면(12)은 렌즈를 필요로 하지 않고, 발산 입사광을 반사하고 재성형(예를 들어, 시준 또는 포커싱)하는 양 기능을 담당하는 오목한 비구면 반사면 프로파일을 가질 수도 있다. 이에 따라, 각각의 구조화된 반사면(12)은, 다양한 광학 구성요소 및 요소[즉, 광파이버(20), 구조화된 반사면(12), 및 외부 광학 구성요소(24)]의 광축에 정렬된 규정된 광로(100)(도 1c 및 도 1d에 개략적으로 도시됨)를 따라, 광파이버(20)의 출력/입력 단부(21)로부터/로의 반사에 의해, 외부 광학 구성요소(24)로/로부터 광을 지향하는 광학 요소로서 기능하다. 외부 광학 구성요소(24)는 송신기(Tx) 내에 광원(예를 들어, VCSEL), 수신기(Rx) 내의 광 센서(예를 들어, 포토다이오드), 또는 송수신기(Tx/Rx) 내의 광원 및 센서의 모두를 포함할 수도 있다.
도 2a 내지 도 2d에 더 명백하게 도시된 바와 같이, 보조부(14) 상에 형성된 구조화된 특징부는 광파이버(20)의 단부 섹션(21)을 수용하도록 치수설정되고 이 단부 섹션을 구조화된 반사면(12)에 관하여 정렬하여 정밀하게 위치설정하도록 위치된, 본체(30)의 에지를 따른 위치에 형성된 다수의 짧은 개방 홈(25)을 형성하는 구조체를 더 포함한다. 구조화된 특징부는 각각의 광파이버(20)의 단부(21)의 에지의 부분이 그에 맞접하는 정지부를 형성하는 숄더(5)를 또한 포함한다. 짧은 홈(25) 및 숄더(5)는 광로(100)를 따라 구조화된 반사면(12)에 관하여 광파이버(20)의 단부(21)를 정밀하게 위치설정하여 정렬한다. 각각의 광파이버(20)의 단부면(입력/출력 단부)은 대응 구조화된 반사면(12)에 관하여 미리 규정된 거리에 유지된다.
도 1a 내지 도 1d 및 도 2a 내지 도 2d에 도시된 보조부(14)는 기부(16)에 후(post) 커플링되는 상태에 있다는 것이 주목된다. 따라서, 보조부(14)는 이하에 더 설명되는 바와 같이 보조부(14)를 스탬핑하는 것으로부터 발생하는 플랜지(28)[및 플랜지(29)]를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 도 2c를 참조하면, 플랜지(28)는 본체(30)의 일 측면에서 융기부로부터 연장한다. 본체의 이 융기된 측면은 구조화된 반사면(12)을 수용하기 위해 본체 구조체 내에 부가의 높이를 제공한다. 이 부가의 높이는 스페이서(19)에 의해 수용된다. 도면은 스페이서(19)를 개별 부분으로 도시하고 있지만, 이는 기부(16)의 일체형 부분일 수도 있다. 대안적으로, 스페이서(19)는 커버(18)의 일체형 부분일 수도 있다.
본 발명에 따르면, 광학 커플링 디바이스(10)는, 이들 이종 재료에 의해 형성될 구조화된 특징부의 기능성을 향상시키도록 최적화될 수도 있는 화학적, 물리적, 열적, 전기적, 구조적 등의 특성을 비한정적으로 포함하는 하나 이상의 이종 특성을 갖는 적어도 2개의 이종 재료를 포함하는 복합 구조체에 의해 표현된다. 특히, 광학 커플링 디바이스(10)의 본체의 복합 구조체는 기부 재료를 포함하는 기부(16) 및 기부 재료에 쌍을 이루는 또는 상보적인 적어도 이종 보조 재료를 포함하는 보조부(14)를 갖는다. 보조부(14)는 복합 구조체를 형성하도록 기부(16)에 커플링되고/부착된다. 적어도 보조부(14)의 보조 재료는 보조 재료의 특성을 이용하는 적어도 하나의 구조화된 특징부[예를 들어, 구조화된 반사면(12)] 및/또는 도파로[예를 들어, 광파이버(20)]를 위한 정렬 특징부(예를 들어, 홈)를 형성하도록 스탬핑에 의해 성형된다. 기부(16)는 또한 기부 재료의 상이한 특성을 개별적으로 이용하는 부가의 구조화된 특징부(들)[예를 들어, 광파이버(20)를 보유하기 위한 홈(17)]를 형성하도록 성형될 수도 있다.
복합 구조체에서, 이종 재료는 복합 구조체의 상이한 부분에(즉, 기부 및 보조부에) 별개로 존재하여, 따라서 복합 구조체의 상이한 부분에서 각각의 이종 재료의 상이한 특성을 나타낸다. 이에 따라, 본 발명의 맥락에서, 보조 재료는, 벌크로 2개 이상의 이종 재료의 매트릭스 기반 복합물, 합성물, 합금 및/또는 고용체를 구성하는 구조체에 대조적으로, 복합 구조체의 상이한 부분에서 벌크로 실질적으로 별개로 남아 있는 상이한 재료를 갖는 복합 구조체를 형성하도록 기부 재료에 구조적으로 커플링되거나 부착된다.
기부(16)는 따라서 보조부(14)가 커플링되어 있는 벌크 지지체를 제공한다. 본 발명에 따르면, 적어도 보조부(14)는 하나 이상의 구조화된 특징부를 형성하도록 스탬핑된다. 게다가 또는 대안에서, 기부(16)는 보조부(14)를 커플링/스탬핑하기 전에 그 위에 미리 형성된 구조화된 특징부[예를 들어, 스탬핑에 의한 홈(17)]를 포함할 수도 있다. 게다가, 최종 스탬핑 단계가 보조부 및/또는 기부에서 구조화된 특징부의 최종의 원하는 마감부, 기하학 구조 및 치수를 얻기 위해 보조 재료 및/또는 기부 재료에 관하여 착수될 수도 있다. 기부(16)는 비교적 더 큰 공차에 기초하여 비교적 적은 임계 치수, 기하학 구조 및 마감부를 갖는 구조화된 특징부(들)를 형성하도록 성형될(예를 들어, 스탬핑에 의해) 수도 있고, 보조부(14)는 비교적 더 작은 공차(예를 들어, 광학 데이터 신호 전송의 목적으로 1000 nm 미만의 공차)에 기초하여 비교적 더 많은 임계 치수, 기하학 구조 및/또는 마감부를 갖는 구조화된 특징부(들)를 형성하도록 성형된다. 이 접근법에 의해, 비교적 적은 임계 구조화된 특징부는 비교적 더 큰 공차를 유지하도록 적은 노력으로 기부(16)의 벌크 상에 성형될 수 있고, 반면에 보조부(14) 상의 비교적 더 많은 임계 구조화된 특징부가 비교적 더 작은 공차에서 치수, 기하학 구조 및/또는 마감부를 형성하도록 추가의 고려로 더 정밀하게 성형된다.
본질적으로, 광학 커플링 디바이스(10)에 있어서, 기부(16) 및 보조부(14)는 구조화된 반사면(12)에 관하여 광파이버(20)를 정렬하기 위한 광학 벤치(11)를 형성하는 복합 구조체를 함께 형성하고, 보조부(14)는 구조화된 반사면(12)에 관하여 광파이버 단부 섹션(21)을 정렬하기 위해 요구되는 비교적 더 많은 임계 기하학 구조, 치수 및/또는 마감부를 갖는 구조화된 반사면(12) 및 정렬 홈(25)을 형성하고, 기부(16)는 광학 정렬 문제없이 노출된 광파이버(20)의 벌크 섹션을 보유하기 위한 비교적 적은 임계 기하학 구조, 치수 및/또는 마감부를 갖는 개방 홈(17)을 형성하는 구조체를 포함한다. 구조화된 반사면(12)을 또한 형성하는 동일한 단일의 구조체 상에 홈(25)을 포함함으로써, 구조화된 반사면(12)에 대한 광파이버(20)의 단부 섹션(21)의 정렬은, 개별 부분 또는 구조체 상에 형성된 특징부에 기초하여 유사한 정렬을 성취하려고 시도하는 것에 비교할 때, 단일의 부분 상에 최종 구조체를 동시에 형성하도록 단일의 최종 스탬핑에 의해 비교적 더 작은 공차를 갖고 더 정밀하게 성취될 수 있다. 동일한 단일의 최종 스탬핑 작업에서 동시에 구조화된 반사면(12) 및 광파이버 정렬 구조체/홈(25)을 형성함으로써, 동일한 작업편/부분 상의 정렬을 필요로 하는(또는 제공하는 역할을 하는) 모든 특징부/구성요소의 치수 관계가 최종 스탬핑 단계에서 유지될 수 있다. 또한, 보조부(14)를 위한 재료는 높은 광반사율을 갖는 구조화된 반사면(12)을 위해 바람직한 높은 반사 효율을 소유하도록 선택될 수도 있고(예를 들어, 순 알루미늄), 기부(16)를 위한 이종 재료는 높은 강도, 낮은 열팽창 계수 등과 같은, 기부(16)를 위해 바람직한 특성을 소유하도록 선택될 수도 있다.
광학 벤치(11)[및 도 4c 및 도 4d의 벤치(11')]의 전체 기능적 구조체는 일반적으로 전술된 나노프리시젼사의 이전의 특허 문헌에 개시된 광학 벤치 실시예의 일부의 구조체(즉, 구조화된 반사면과 정렬된 파이버 정렬 홈, 및 적절한 광학 정렬을 용이하게 하기 위한 부가의 특징부)에 유사하다. 그러나, 본 발명에 있어서, 광학 벤치는 이종 재료 상에 구조화된 특징부를 갖고 스탬핑되는데, 특정의 구조화된 특징부가 이러한 특징부를 위해 더 양호하게 적합되는 재료 상에 스탬핑되고[예를 들어, 광학 정렬(예를 들어, 구조화된 반사면(12) 및 홈(25)] 및 구조화된 반사면(12)을 위한 더 높은 광반사율에 더 임계적인 역할을 하는 구조화된 특징부가 보조부(14)의 보조 재료 상에 스탬핑됨], 다른 구조화된 특징부가 이들 특징부를 위해 더 양호하게 적합된 다른 재료 상에 스탬핑된다[예를 들어, 구조화된 특징부는 덜 임계적인 역할을 하지만 구조적으로 더 강함(예를 들어, 더 강한 정렬 홈(17)이 기부(16) 상에 스탬핑됨)]. 이는 이전의 특허 문헌에서 종래의 실시예에 비한 상당한 개량이다.
본 발명의 일 양태에서, 보조부(14)의 재료는 기부(14)의 이종 재료에 커플링되고, 동시에 보조부(14) 상의 구조화된 특징부가 스탬핑에 의해 형성된다. 일 실시예에서, 보조 재료는 예를 들어, 도 1a 내지 도 1d 및 도 2a 내지 도 2d의 실시예에서와 같이 리벳형 방식으로, 스탬핑에 의해 기부 재료에 구조적으로 상호잠금된다. 도 3a 내지 도 3c는 리벳형 상호잠금 구조체를 갖는 복합 구조체를 형성하고, 동시에 도 2a 내지 도 2d에 도시된 보조부(14)의 구조화된 특징부를 형성하기 위한 스탬핑의 프로세스를 개략적으로 도시하고 있다.
도 3a를 참조하면, 보조 재료는 기부(16) 내의 관통 구멍(15) 내에 끼워맞춰지도록 치수 설정된 일반적으로 원통형 슬러그 또는 인서트(34)의 형태로 구성된다. 스탬핑을 용이하게 하기 위해 인서트 및 기부의 재료 사이의 코너를 감소시키도록, 원형 원통형 인서트(34)[및 기부(16) 내의 일반적으로 원형 원통형 관통 구멍(15)]가 직사각형 실린더에 비해 바람직하다. 대안 실시예에서, 원통형 인서트(34)는 리벳에 유사한 헤드(29')를 갖고 미리 형성될 수도 있는데, 여기서 헤드(29')는 결국에는 스탬핑 후에 플랜지(29)(도 2c)가 될 것이다.
도 3b는 보조부(14)의 구조화된 특징부를 형성하기 위한 정합하는 펀치 및 다이 세트를 포함하는 스탬핑 공구(40)(본 명세서에서 설명을 불명료하게 하는 것을 회피하도록 간단화됨)의 부분을 개략적으로 도시하고 있다. 도 3c는 펀치와 다이 사이의 접촉 영역의 확대도이다. 펀치(41)는 펀치 가이드(42) 내에 지지된다. 이 경우에, 펀치(41)는 무딘 팁을 갖는다. 다이(43)는 도 2a에 도시된 바와 같이, 보조부(14) 내에 구조화된 특징부[즉, 구조화된 반사면(12), 숄더(5), 홈(25) 등]를 형성하기 위한 표면 프로파일(44)을 갖고 구성된다. 다이(43)의 상부는 반사면(12), 숄더(5) 및 홈(25)을 포함하는 구조화된 특징부의 본질적으로 반전부인 일반적으로 "수형" 또는 볼록면 특징부를 포함하는 접촉면 프로파일(45)을 형성한다. 표면 프로파일(45)은 스탬핑 작업으로부터 "스프링백"을 위한 적절한 보상의 고려를 갖고 설계된다. 다이(43)의 표면 프로파일(44)은 보조부(14)의 표면 상에 스탬핑될 구조화된 특징부에 합치한다. 편평한 다이(46)가 다이(43)에 인접하여 위치되어, 스탬핑 프로세스 중에 스탬핑될 작업편의 부분을 지지하고 다이(43)를 수용한다.
간단화를 위해, 미리 형성된 기부(16)는 관통 구멍(15)이 펀치(41)의 팁과 정렬된 상태로, 펀치 가이드(42) 아래에서 다이(43) 상에 위치된다. 스페이서(19)는 편평한 다이(46)와 기부(16) 사이에 지지되고, 용접 또는 접착과 같은 이전의 접합 프로세스에 의해 기부에 접합될 수도 있다. 인서트(34)는 기부(16) 내의 관통 구멍(15) 내에 배치된다.
도 3c를 참조하면, 인서트(34)는 스탬핑 작업 전의 상태에서 파선으로 표현되어 있다. 펀치(41)가 다이(43)에 대해 인서트(34)를 타격함에 따라, 인서트(34)는 펀치(41), 다이(43) 및 기부(16) 내의 관통 구멍(15)의 벽 사이에 형성된 공간을 충전하도록 소성 변형한다. 다이(43)의 표면 프로파일(45)은 이제 도 2a 내지 도 2d에 도시된 보조부(14)의 형상을 취하는 인서트(34)의 하측면 상에 상보형 표면 특징부를 형성한다. 보조부(14)의 상측면은 일반적으로 편평하여, 펀치(41)의 무딘 팁에 합치한다. 보조부(14)의 구조화된 특징부는 따라서 이 펀칭 작업에 의해 형성된다. 동시에, 인서트(34)의 재료는 모따기부(26, 27)를 충전하여, 모따기부(26, 27)에 대한 플랜지(28, 29)를 형성하고, 플랜지(28)는 스페이서(19) 및 보조부(14)를 기부(16)에 상호잠금한다. 보조부(14)는 기부(16)에 부착된 리벳에 유사하다. 이에 따라, 단일의 스탬핑 작업에서, 보조부(14)의 구조화된 특징부가 형성되고, 보조부(14)는 리벳형 구조체로 기부(16)에 견고하게 커플링된다. 기부(16)가 비교적 더 경성의 재료(적어도 스탬핑에 관하여)로 제조되도록 선택되면, 보조부(14)를 형성하기 위한 인서트(34)의 스탬핑은 기부(16)의 기하학 구조[예를 들어, 관통 구멍(15)]를 사실상 변경하지 않을 것이라는 것이 주목된다. 보조부(14)의 측방향 외부 본체 윤곽은 모따기부를 포함하여, 관통 구멍의 윤곽에 합치한다. 따라서, 단일의 스탬핑 작업은 정밀하게 규정된 상대 위치에서, 정밀하게 형성된 전체 본체 윤곽 및 특징부를 갖는 보조부(14)를 생성할 것이다. 복합 구조체는 따라서 적어도 보조부(14) 상에 형성된 구조화된 특징부를 갖고 형성된다.
펀치(41)의 단일 타격에 의한 펀칭 작업 대신에, 다수의 타격이 보조부(14) 상에 특정 특징부를 순차이송식으로(progressive) 미리 형성하도록 구현될 수도 있는 것이 고려 가능하고, 최종 타격은 보조부(14) 상에 다양한 구조화된 특징부의 최종 치수, 기하학 구조 및/또는 마감부를 동시에 형성한다. 동일한 단일의 최종 스탬핑 작업에서 동시에 구조화된 반사면(12) 및 광파이버 정렬 구조체/홈(25)을 형성함으로써, 동일한 작업편/부분 상의 정렬을 필요로 하는(또는 역할을 하는) 모든 특징부/구성요소의 치수 관계가 최종 스탬핑 단계에서 유지될 수 있다.
도 3d는 스탬핑 작업의 결과로서 보조부(14) 내의 소성 스트레인의 소프트웨어 시뮬레이션의 결과를 도시하고 있다. 예측되는 바와 같이, 더 높은 소성 스트레인이, 구조화된 반사면(12) 및 홈(25)을 포함하는 오목 영역(49)을 포함하여, 높은 접촉 압력 영역에, 그리고 플랜지(28, 29)에 존재한다.
도 4a 및 도 4b는 그에 커플링된 보조부(14)를 갖는 기부(16)의 복합 구조체에 의해 형성된 광학 벤치(11)의 2개의 측면을 도시하고 있다. 도 4a에서, 보조부(14)는 구조화된 반사면(12) 및 홈(25)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 보조부(14) 상에 형성된 구조화된 특징부의 일부는 기부(16) 상에 형성된 구조화된 특징부의 일부와 정렬될 수도 있다. 예를 들어, 홈(25)은 기부(16) 상의 홈(17)과 정렬된다. 도 4c 및 도 4d는 스탬핑 작업이 실시되었던 프로토타입 광학 벤치(11')의 이미지이다.
보조부(14)의 표면 상의 각인부(impression), 즉 구조화된 특징부의 형성은 "코이닝(coining)"으로서 일반적으로 알려진 프로세스를 수반한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 보조부(14)의 구조화된 특징부는 연성 또는 가단성 재료, 바람직하게는 순 알루미늄과 같은 금속을 정밀 스탬핑함으로써 형성될 수도 있다. 종래의 실험 결과에 기초하여, 스탬핑된 구조화된 반사면은 1 mm 직경 영역에 걸쳐 1 ㎛ 미만의 마루-대-골(peak-to-valley) 형태 에러를 성취할 수 있는 것이 발견되었다. 스캐닝 백색광 간섭계에 기초하는 표면 거칠기(Ra)는 대략 8 nm 또는 더 양호하다. 펀치와 다이 사이의 가단성 재료의 압축은 높은 반사성 미러질 표면을 위한 높은 접촉 압력을 발생한다.
정밀 스탬핑 프로세스 및 장치는 본 발명의 양수인에게 공동으로 양도되었던 미국 특허 제7,343,770호에 개시되어 있다. 이 미국 특허는 본 명세서에 완전히 설명된 것처럼 참조로서 완전히 합체되어 있다. 거기에 개시된 프로세스 및 스탬핑 시스템은 전술된 바와 같은 복합 구조체를 포함하는 본 발명의 커플링 디바이스(10) 내의 광학 벤치(11)의 특징부[본 명세서에 개시된 보조부(14) 및 기부(16)의 구조화된 특징부를 포함함]를 정밀 스탬핑하도록 구성될 수도 있다. 스탬핑 프로세스 및 시스템은 적어도 1000 nm의 공차(즉, 1000 nm 미만/양호의 공차)를 갖는 부분을 제조할 수 있다. 이 시스템은 단조, 블랭킹, 펀칭, 코이닝, 압축, 굽힘, 압출, 천공, 노치형성 등과 같은, 스탬핑을 위한 다양한 작업을 착수하도록 구현될 수도 있다. 구조화된 반사면 및 파이버 보유 구조체를 갖는 커플링 디바이스의 상기에 개시된 개방 구조체는 저비용, 고처리량 프로세스인 스탬핑과 같은 대량 생산 프로세스에 적합하다. 본 명세서 전체에 걸친 설명에서, 본 발명의 개념의 이해에 필수적이지 않은 스탬핑 시스템 및 프로세스의 다양한 상세는 생략되어 있다.
도 5a 내지 도 5c는 미국 특허 제7,343,770호에 개시된 스탬핑 시스템의 기본적인 신규한 특징부를 구비하고 상기에 개시된 복합 구조체를 형성하기 위해 기부 내에 금속 인서트를 가압하기 위해 스탬핑 작업을 수행하도록 구성되는 스탬핑 공구(50)의 실시예를 도시하고 있다. 스탬핑 공구(50)는 공구 기부(51), 공구 기부(51)에 부착된 다이 홀더(52), 다이 홀더(52) 위의 마스크(53)를 포함한다. 이 스탬핑 공구(50)는 본질적으로 도 3a 내지 도 3c에 도시된 스탬핑 공구(40)의 기본 구성요소를 구비한다. 구체적으로, 다이 홀더(52)는 다이(43) 및 편평한 다이(46)를 지지하고, 마스크(53)는 펀치(41)를 안내하는 펀치 가이드(42)를 수용한다. 본 실시예에서, 마스크(53)는 또한 작업편[예를 들어, 기부(16)]을 위한 스프링 하중식 리테이너(54)를 수용한다. 스탬핑 공구(50)는 스프링 플런저(57)에 의해 이동 가능한 웨지(56)를 갖는 편평한 다이 높이 조정기(55)를 또한 포함한다. 도 5c는 펀치와 다이 사이의 접촉 영역의 확대도이다.
작동시에, 스프링 하중식 리테이너(54)는 펀치(41) 아래에 작업편/기부(16) 및 인서트(34)를 배치하도록 퇴피된다. 편평한 다이(46)의 높이는 웨지(56)를 수평으로 이동하기 위해 스프링 플런저를 회전함으로써, 원하는 위치에서 스페이서(19)를 지지하도록 조정된다. 스탬핑 작업 후에, 스프링 하중식 리테이너(54)는 스탬핑된 부품[즉, 그에 커플링된 보조부(16)를 갖는 기부(16)]을 해제하도록 퇴피된다.
스탬핑 공구(50)는 순차이송 다이를 포함할 수도 있는 스탬핑 시스템 내에 합체될 수도 있는데, 이는 최소 취급으로 원료 코일 스톡 재료를 완성된 제품으로 변환하기 위한 효율적인 방식을 제공한다. 부분 재료는 각각의 가압 사이클 동안 하나의 순차이송으로 이송한다. 재료가 다이 내에서 스테이션으로부터 스테이션으로 이송함에 따라, 이는 완전한 부품으로 순차이송식으로 작업한다.
도 6은 도 1a 내지 도 1d의 실시예의 기부(16)의 원하는 두께를 제공할 것인 선택된 두께(T)(예를 들어, 3 mm) 및 선택된 폭(W)(예를 들어, 20 mm)을 갖는, 금속의 종방향 편평한 리본 또는 스트립(60)(일련의 연결된 블랭크에 동등함)의 형태인 금속 스톡 재료 상의 스탬핑 작업을 개략적으로 도시하고 있다. 스트립(60)의 재료는 높은 강성(예를 들어, 스테인리스강), 화학적 불활성(예를 들어, 티타늄), 고온 안정성(니켈 합금), 낮은 열팽창(예를 들어, 인바(Invar))을 갖도록, 또는 다른 재료에 열팽창을 정합하도록(예를 들어, 유리에 정합하기 위한 코바) 선택될 수도 있다.
스트립(60)은 스트립(60)의 스파인(62)을 따라 형성된 일련의 인덱싱 구멍(61)을 갖는다. 스트립(60)은 기부(16)의 원하는 특징부를 형성하기 위해 정밀 스탬핑 작업이 실시되는 일련의 스탬핑 스테이션/다이를 통해 이송된다. 인덱싱 구멍(61)은 스탬핑 스테이션을 통해 공급됨에 따라 스트립(60)을 인덱싱하기 위해 사용된다. 전체 스트립(60)은 전체 스트립(60)이 제2 스탬핑 스테이션으로 순차이송식으로 이송되기 전에 제1 스탬핑 스테이션을 통해 순차이송식으로 이송될 수도 있는 등이다. 대안적으로, 스트립(60)은 일련의 순차이송 스탬핑 스테이션(또는 순차이송 다이)을 통해 연속적으로 이송될 수도 있다. 광학 벤치(11) 내의 기부(16) 상의 특징부는 스탬핑 스테이션의 시퀀스를 거쳐 순차이송식으로 형성될 수도 있고, 특징부의 최종 기하학 구조는 시퀀스 내의 단일의 스탬핑 작업에 의해 형성되어, 기부(16)의 표면 특징부의 최종 기하학 구조, 치수 및/또는 마감부를 동시에 형성한다.
이전의 실시예와 관련하여 전술된 바와 같이, 미국 특허 제7,343,770호(본 발명의 양수인에게 공동으로 양도되어 있음)에 개시된 바와 같은 정밀 스탬핑 프로세스 및 장치는 기부(16)의 특징부를 형성하기 위해 스트립(60)을 스탬핑하도록 채택될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 스트립(60)의 섹션은 스탬핑 작업이 실시되어 있다. 복수의 스탬핑된 섹션(64)이 스트립(60)을 따라 형성된다. 간단화를 위해, 도 6의 예시된 실시예에서, 각각의 스탬핑된 섹션(64)은 인덱싱 구멍(61)과 대응한다[달리 말하면, 인접한 인덱싱 구멍(61)의 피치는 인접한 섹션(6)의 피치와 동일함]. 예시의 목적으로, 스트립(60)은 상기에서 도 1a 내지 도 1d와 관련하여 설명된 기부(16)를 형성하는데 사용된다[스페이서(19)가 이제 도 6에 도시된 실시예에서 기부(16)에 일체화되는 것은 제외함]. 구체적으로 도시된 바와 같이, 각각의 섹션(64)에서, 2개의 기부(16)는 스파인(62)의 어느 일 측면에 스탬핑함으로써 형성된다.
화살표 A는 스트립(60)의 이송 방향을 표현한다. 섹션(64g)은 스탬핑 사이클의 종료시에 "마감된" 스탬핑된 섹션을 표현하고 있는데, 여기서 기부(16)의 특징부가 스탬핑에 의해 최종적으로 형성된다. 이송 방향(화살표 A)이 제공되어 있다. 섹션(64a)은 스탬핑 사이클의 시작을 표현하고 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 2개의 동일한 기부(16)가 스탬핑 작업에 의해 동시에 형성되고, 여기서 스파인(62)의 어느 일 측면 상의 2개의 부분은 서로 경면 대칭 이미지이다. 이 "투업(two-up)" 구성은 특정의 장점을 성취하는데, 즉 스트립(60)의 중심축을 따라 힘 대칭을 제공하여, 이에 의해 스탬핑 작업 중에 안정성을 제공하는데, 이는 스탬핑 작업의 완전성 및 정밀성을 향상시킨다.
구체적으로, 섹션(64a)에서, 기부의 외측 경계가 성형된다(예를 들어, 블랭킹 작업에 의해). 섹션(64b 내지 64c)에서, 표면 특징부는 순차이송 형성된다[예를 들어, 스페이서(19), 및 포켓(32)이 단조 작업에 의해 형성됨]. 섹션(64d)에서, 관통 구멍(15, 31)이 형성된다(예를 들어, 펀칭 작업에 의해). 홈(17)은 섹션(64e)에서 개략 형성된다(rough formed)(예를 들어, 코이닝 작업에 의해). 섹션(64f)에서, 홈 둘레의 평면형 표면(63)은 평탄화된다(예를 들어, 압축 작업에 의해). 섹션(64g)에서, 홈(17)은 최종적으로 정밀도를 갖고 형성된다. 섹션(64e 내지 64g)은 비교적 경성의 기부 재료(예를 들어, 코바)를 스탬핑하는 것으로부터 스프링백을 보상하도록 설계된다. 이는 기부(16) 상에 구조화된 특징부를 형성하기 위한 사이클을 완료한다. 기부(16)는 스트립(60) 내의 스파인(62)으로부터 점선(65)을 따라 절단함으로써 싱귤레이션된다(singulated). 기부(16)는 추가의 가공(예를 들어, 내부식성을 향상시키기 위한 금 도금 등과 같은, 표면 마감 및/또는 코팅)이 실시될 수도 있다.
싱귤레이션된 기부(16)는 상하 전복되고, 전술된 바와 같이, 도 5의 스탬핑 공구(50)를 사용하여 금속 인서트(34)의 스탬핑이 실시된다.
전술된 실시예는 기밀한(즉, 작은) 공차에서 광학 정렬을 갖는 규정된 광로(100)를 성취하기 위해, 광학 벤치 상에 형성된 특징부 및 구성요소의 기본 조합이 어떻게 복합 구조체를 갖는 단일의 부분 상에 스탬핑 작업에 의해 형성될 수 있는지의 예시이다. 유사한 규정된 광로를 갖는 스탬핑된 광학 벤치를 갖는 종래의 실리콘 광학 벤치를 재구성하는 것과 같은 상이한 광로를 성취하는 다른 구성이 구성될 수도 있다. 스탬핑된 광학 벤치는 대응 실리콘 광학 벤치에 비교하여, 유사한 전체 크기 및 구성, 및 유사한 푸트프린트를 가질 수 있다. 스탬핑된 광학 벤치는 실리콘 광학 벤치를 대체하도록 역호환 가능할 것이다. 스탬핑된 광학 벤치는 실리콘 광학 벤치보다 작은 푸트프린트 및 전체 크기를 갖도록 구성될 수 있는 것이 고려 가능하다.
보조부(14)의 표면에서 전술된 구조화된 특징부는 동일한 스톡 재료[즉, 인서트(34)]로부터 일체로 스탬핑된다. 정합 펀치 및 그 위에 형성된 적절한 특징부를 갖는 다이는 기부(16) 및 보조부(14)의 전술된 특징부의 원하는 기하학 구조를 얻기 위해 일련의 스탬핑 작업에서 적용될 수도 있다. 바람직하게는, 적어도 정밀한 광학 정렬에 대해 임계적인 특징부는 최종 스탬핑 작업이 실시되고, 이에 의해 이러한 특징부는 동일한(예를 들어, 모놀리식 또는 단일형) 단일의 보조부(14) 상에 동시에 최종적으로 형성된다. 예시된 실시예에서, 이는 적어도 구조화된 반사면(12), 숄더(5) 및 정렬 홈(25)을 포함할 것이다. 이들 구조화된 특징부는 스탬핑 작업의 시퀀스 중에 개별적으로 수행될 수도 있지만, 이들은 동일한(모놀리식 또는 단일형) 보조부(12) 상에 서로에 대한 관계로 이들 특징부의 조합의 최종 기하학 구조를 일체로 그리고/또는 동시에 형성하는 표면 프로파일(45)을 갖는 다이를 사용하여 최종 스탬핑 작업이 실시된다. 동일한 단일의 최종 스탬핑 작업에서 동시에 구조화된 반사면(12) 및 광파이버 정렬 구조체/홈(25)을 형성함으로써, 동일한 작업편/부분 상의 정렬을 필요로 하는(또는 제공하는 역할을 하는) 모든 임계적 특징부/구성요소의 치수 관계가 최종 스탬핑 단계에서 유지될 수 있다. 이에 따라, 광파이버(20)는, 이들의 단부(21)가 정렬 홈(5) 내에 보유되어 있는 상태로, 구조화된 반사면(12)에 정밀한 미리 결정된 관계로 위치된 단부면을 가져, 따라서 적어도 광파이버(20)와 구조화된 반사면(12) 사이에 원하는 광로(100)[예를 들어, 도 1d에 도시된 광로(100)]에 합치한다.
다른 실시예에 따르면, 전술된 실시예에서 보조부(14)와 기부(16) 사이에 상호잠금 리벳형 구조체를 생성하는 대신에, 기부(16) 및 스페이서(19)는 모따기부(26, 27)를 구비하지 않고, 스탬핑 작업 하에서, 인서트(34)는 기부(16) 내의 관통 구멍(15) 내에 기밀한 기계적 끼워맞춤부를 간단히 형성한다.
다른 실시예에서, 보조 재료는 기부 재료 상에 이종 재료를 스탬핑하는 것으로부터 압력 하에서 기부 재료에 융착될 수도 있는데; 이는 기부 및 보조부가 화학적으로 유사한 금속(예를 들어, 2개의 알루미늄 합금)으로 제조될 때 성취될 수 있다. 예를 들어, 보조부는 복합 구조체를 형성하기 위해, 구조화된 특징부를 형성하도록 스탬핑되는 동시에 기초의 기부 재료(예를 들어, 알루미늄 6061 합금)에 융착하는 금속(예를 들어, 순 알루미늄)의 층의 형태일 수도 있다.
다른 실시예에서, 코팅(예를 들어, 금속 도금)의 형태의 보조부가, 코팅의 표면 상에 구조화된 특징부를 형성하도록 코팅을 스탬핑하기 전에 기부 재료 상에 미리 형성될 수도 있다.
전술된 실시예에서, 보조 재료는 스탬핑 작업에 의한 성형을 위해 가단성이 되도록 선택된다. 기부 재료는 또한 스탬핑에 의한 성형을 위해 가단성이 되도록 선택될 수도 있다. 일 실시예에서, 보조 재료(예를 들어, 순 알루미늄)는 보조부에서 임계 특징부(예를 들어, 광 반사면)의 원하는 기하학 구조, 치수 및/또는 마감부를 얻기 위해, 기부 재료(예를 들어, 코바)보다 비교적 더 연질이고, 더 가단성/연성이 되도록 선택된다. 더 경성의 기부 재료(예를 들어, 코바)는 더 경질의 재료의 완전성을 필요로 하는 구조체를 형성하도록 선택되지만, 더 경성의 기부 재료를 스탬핑하는 것은 더 큰 힘을 필요로 하고 더 많은 스프링백을 필요로 할 것이어서, 원하는 형상을 얻기 위해 스탬핑 펀치의 다중 히트를 필요로 한다. 대조적으로, 보조부를 스탬핑하기 위해 선택된 비교적 더 연질의 보조 재료는 적은 스탬핑력을 필요로 하고 적은 스프링백을 야기하여, 스탬핑된 부분을 얻기 위해 펀치의 비교적 더 적은 히트(예를 들어, 적어도 하나의 히트)를 필요로 한다. 따라서, 마이크로 특징부가 매우 작은 공차를 갖고 스탬핑될 수 있다. 더 경성의 기부 재료는 또한 스탬핑 작업 중에 보조부(14)를 부분적으로 성형하는 다이의 부분으로서 기능한다.
다른 실시예에서, 보조부(예를 들어, 슬러그 또는 리벳의 형태의)는 상이한 구조화된 특징부를 스탬핑하기 위한 상이한 특성과 연계된 적어도 2개의 이종 보조 재료(예를 들어, 바이메탈 재료)를 포함하는 다른 복합 구조체를 포함한다. 도 7a 내지 도 7c는 보조부(114)가 바이메탈 구조체인 일 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 도 7a에서, 광학 벤치(111)는 기부(116) 및 보조부(114)를 포함하는 복합 구조체에 의해 형성된다. 이 광학 벤치(111)는 보조부(114)에서 구조화된 반사면(112)과 정렬된 단부 섹션(21)을 갖는 4개의 광파이버(20)의 번들을 지지한다. 기부(116)는 노출된 광파이버(20)의 벌크 섹션을 지지하기 위한 홈(117)을 구비한다. 이 광학 벤치(111)의 일반적인 구조는 보조부(114)를 제외하고는, 이전의 실시예에서 설명된 광학 벤치(11)의 것과 대부분 유사하다. 본 실시예에서, 보조부(114)는 2개의 이종 재료(170, 171)의 복합 구조체를 포함하여, 라운딩된 코너를 갖는 일반적으로 직사각형 단면을 갖는 일반적으로 원통형이다. 도 7b 및 도 7c의 도면에서, 재료(170, 171) 사이의 계면(172)은 일반적으로 수직이다. 또한, 본 실시예에서, 기계적 기점 또는 정렬 특징부(169)가 기부(116)의 평면 표면(163) 상에 형성되는데, 이는 외부 광학 구성요소[예를 들어, 도 1d의 광학 구성요소(24)]에 관한 광학 벤치(111)의 정렬 및/또는 정확한 위치설정을 용이하게 한다. 커버는 본 실시예에서 요구되지 않는다[도 1a 내지 도 1d의 실시예에서의 커버(18)에 비교하여].
도 7b는 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 전술된 스탬핑 공구(50)의 부분일 수도 있는 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 전술된 스탬핑 공구(40)에서 스탬핑 작업이 실시되기 전에 슬러그 또는 인서트(134)를 도시하고 있다.
스탬핑시에, 도 7c에 도시된 바와 같이, 인서트(134)의 이종 재료는 다이(43)의 프로파일(45) 및 스페이서(119)의 모따기부(126) 및 기부(116) 내의 관통 구멍(115)의 모따기부(127)에 합치하게 소성 변형하도록 가압된다. 재료(170)는 홈(125)이 스탬핑 작업에 의해 형성되는 영역에 대응하고, 재료(171)는 구조화된 반사면(212)이 스탬핑 작업에 의해 형성되는 영역에 대응한다. 양 재료(170, 171)는 동일한 스탬핑 작업으로 스탬핑되어, 양 재료(170, 171) 상에 구조화된 특징부를 실질적으로 동시에 형성한다.
일 실시예에서, 재료(170)는 알루미늄 합금일 수 있고, 재료(171)는 순 알루미늄일 수 있다. 알루미늄 합금은 순 알루미늄에 비교하여 비교적 더 경성의 재료이고, 이는 따라서 광파이버(20)를 정렬하기 위한 더 양호한 구조적 완전성을 소유하는 구조체를 생성한다. 다른 한편으로, 순 알루미늄이 그 높은 광반사율에 대해 선택된다. 기부(116)의 재료는 그 강도, 경성, 낮은 열팽창 계수 및 밀폐형 밀봉부를 성취하기 위해 유리 밀봉제를 위한 유리 정합 특징에 대해 선택된 코바일 수 있다.
이에 따라, 도 7a 내지 도 7c의 실시예에서, 광학 벤치(111)는 3개의 이종 재료를 포함하는 복합 구조체를 사용하여 더 향상된 특성을 성취할 수 있고, 각각의 재료는 광학 벤치(111)의 상이한 부분의 요구되는 특정 구조, 기능 및 특성을 위해 최적화된다.
도 8a 내지 도 8c는 상기와 같이 복합 구조체를 스탬핑하여 형성될 수 있는 다수의(예를 들어, 12개) 광파이버를 지지하기 위한 광학 커플링 디바이스(210)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 광학 벤치(211)는 이종 재료의 기부(216) 및 보조부(214)를 포함하는 복합 구조체를 포함한다. 기부(216)는 보조부(214)를 커플링하기 위해 성형된 관통 구멍(215)을 구비한다. 본 실시예에서, 스페이서(219)는 기부(216)의 일체형 부분이다. 커버(218)가 제공된다. 보조부(214)는 구조화된 반사면(212), 및 구조화된 반사면(212)에 관하여 광파이버(20)의 단부 섹션(21)을 정렬하기 위한 홈(225)을 형성하도록 성형되는 일반적으로 신장된 타원형 단면을 갖는 일반적으로 원통형인 본체를 갖는다. 보조부(214)는 전술된 도 7의 실시예의 경우에서와 같이, 정렬을 위해 구조화된 반사면을 스탬핑하기 위한 제1 유형의 보조 재료 및 구조화된 특징부를 스탬핑하기 위한 이종의 제2 유형의 보조 재료를 포함할 수도 있다. 기부(216)는 광학 정렬 문제없이 노출된 광파이버(20)의 벌크 섹션을 보유하기 위한 홈(217)과 같은 적은 치수적으로 임계적인 구조화된 특징부를 형성하도록 성형된다.
상기 실시예는 이종 금속 재료를 갖는 복합 구조체와 관련하여 설명되었지만, (a) 금속 보조 재료 및 금속 기부 재료; (b) 금속 보조 재료 및 비금속 기부 재료; 및 (c) 비금속 보조 재료 및 금속 기부 재료를 포함하도록 본 발명에 따른 복합 구조체를 형성하는 것이 가능하다. 예를 들어, 기부는 세라믹 재료로 제조될 수도 있고, 보조부는 금속으로 제조될 수도 있다. 보조부는 세라믹 기부 내에 삽입된 비교적 연질의 연성 금속 인서트로부터 스탬핑되고 가압될 수 있다. 취성 세라믹 본체 내의 연성 인서트는 반사 광학 기기를 포함하여, 정밀한 상세한 표면 특징부를 얻도록 스탬핑되고 형성될 수 있다. 따라서, 반사 광학 기기가 세라믹 기판에서 용이하게 성취될 수 있다. 대안적으로, 기부 상에 오버몰딩된 폴리머가 원하는 표면 특징부를 형성하도록 스탬핑될 수도 있다.
다른 실시예에서, 이종 보조부는 보조부에 스탬핑 작업(들)을 실시하기 전에, 다른 수단(예를 들어, 본딩, 용접, 리벳팅 등)에 의해 기부에 부착될 수도 있다.
상기 실시예는 광학 구성요소로서 광파이버와 관련하여 설명되었지만, 복합 구조체를 갖는 광학 벤치는 렌즈, 광학 송신기(Tx), 광학 수신기(Rx), 광학 송수신기(Tx/Rx) 등과 같은, 다른 유형의 광학 구성요소를 지지하고 광학적으로 정렬하도록 구조화될 수도 있다.
본 발명은 본 명세서의 배경기술 섹션에서 설명되어 있는 나노프리시젼 프로덕츠, 인크.에 양도된 특허 문헌들에 개시된 것들과 같은, 다양한 디바이스 내에 구조화된 특징부를 정밀하게 형성하도록 구현될 수 있다. 본 발명은 US2003/223131A1호; 미국 특허 제6,869,231호; 미국 특허 제8,103,140호; 및 미국 특허 제8,168,939호에 설명된 것들과 같은, 종래의 실리콘 광학 벤치의 기능성을 성취하거나 초과하는 구조화된 특징부를 갖는 스탬핑된 광학 벤치 및 광학 서브조립체를 제조하도록 구현될 수 있다.
본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 구체적으로 도시되고 설명되었지만, 형태 및 상세의 다양한 변경이 본 발명의 사상, 범주, 및 교시로부터 벗어나지 않고 이루어질 수도 있다는 것이 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있을 것이다. 이에 따라, 개시된 발명은 단지 예시적인 것으로서 고려되고 단지 첨부된 청구범위에 설명된 바와 같은 범주에서만 한정되어야 한다.

Claims (20)

  1. 광학 전송과 관련하여 광로를 규정하도록 그 위에 형성된 구조화된 특징부를 갖는 복합 구조체를 형성하는 방법이며,
    제1 구조화된 특징부를 형성하는 제1 재료의 기부를 제공하는 단계,
    상기 기부에 대해 제2 재료를 위치설정하는 단계로서, 상기 제2 재료는 상기 제1 재료에 대해 이종인, 제2 재료를 위치설정하는 단계, 및
    상기 제2 재료를 상기 기부에 구조적으로 커플링하고 상기 제2 재료 상에 제2 구조화된 특징부를 형성하도록 상기 제2 재료를 스탬핑하여, 이에 의해 제1 재료의 기부 및 상기 제2 구조화된 특징부가 그 위에 형성되어 있는 제2 재료로부터의 보조부를 포함하는 복합 구조체를 형성하는 단계를 포함하고,
    구조화된 특징부들은 광학 전송과 관련하여 광로를 규정하는, 복합 구조체 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 구조화된 특징부는 상기 제2 재료를 스탬핑함으로써 형성된 광학 요소를 포함하는, 복합 구조체 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기부의 제1 구조화된 특징부는 상기 광로를 따라 상기 광학 요소와 광학 정렬되도록 광학 구성요소를 위치설정하는 것을 용이하게 하기 위한 제1 정렬 구조체를 포함하는, 복합 구조체 형성 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제2 구조화된 특징부는 상기 광로를 따라 상기 광학 요소와 광학 정렬되도록 광학 구성요소를 위치설정하는 것을 용이하게 하기 위한 제2 정렬 구조체를 더 포함하는, 복합 구조체 형성 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 광학 요소는 상기 제2 재료를 스탬핑함으로써 형성된 구조화된 반사면을 포함하는, 복합 구조체 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 구조화된 반사면은 오목 반사면을 포함하는, 복합 구조체 형성 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 광학 구성요소는 광파이버를 포함하고, 상기 제1 정렬 구조체는 상기 광학 요소와 정렬하여 상기 광파이버를 보유하기 위한 홈을 형성하는, 복합 구조체 형성 방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기 광학 구성요소는 광파이버를 포함하고, 상기 제2 정렬 구조체는 상기 광학 요소와 정렬되도록 상기 광파이버를 보유하기 위한 홈을 형성하는, 복합 구조체 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 보조부의 제2 구조화된 특징부는 상기 광로를 따라 상기 기부의 제1 구조화된 특징부와 광학적으로 정렬되는, 복합 구조체 형성 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기부는 상기 제1 구조화된 특징부를 형성하도록 스탬핑함으로써 미리 형성되는, 복합 구조체 형성 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제2 구조화된 특징부는 제1 특징부 및 제2 특징부를 포함하고, 상기 제2 재료는 제1 이종 재료 및 제2 이종 재료를 포함하고, 상기 제2 재료를 스탬핑하는 단계는 상기 제1 이종 재료로 제1 특징부를 그리고 상기 제2 재료로 제2 특징부를 형성하도록 동일한 스탬핑 작업에서 상기 제1 및 제2 이종 재료를 스탬핑하는 단계를 포함하는, 복합 구조체 형성 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 특징부는 상기 제1 이종 재료를 스탬핑함으로써 형성된 광학 요소를 포함하고, 상기 제2 특징부는 상기 광로를 따라 상기 광학 요소와 광학 정렬되도록 광학 구성요소를 위치설정하는 것을 용이하게 하기 위한 정렬 구조체를 포함하는, 복합 구조체 형성 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제2 재료를 스탬핑하는 단계는 복합 구조체를 형성하기 위해 상기 제2 재료를 상기 제1 재료에 구조적으로 커플링하도록 상기 보조부를 상기 기부에 상호잠금하게 하는, 복합 구조체 형성 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제2 재료는 상기 기부 내에 제공된 개구 내에 삽입되고, 상기 기부는 모따기부를 구비하고, 상기 제2 재료를 스탬핑하는 단계는 상호잠금 구조체를 형성하기 위해 상기 모따기부를 충전하도록 상기 제2 재료를 소성 변형하는, 복합 구조체 형성 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1 재료는 상기 제2 재료보다 비교적 더 경성인, 복합 구조체 형성 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제2 재료는 금속인, 복합 구조체 형성 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 재료는 금속인, 복합 구조체 형성 방법.
  18. 제1항의 방법에 의해 형성된, 스탬핑된 광학 벤치.
  19. 광학 벤치의 형성 방법이며,
    제1 구조화된 특징부를 갖는 제1 재료의 기부를 제공하는 단계,
    상기 기부에 대해 제2 재료를 위치설정하는 단계로서, 상기 제2 재료는 상기 제1 재료에 대해 이종인, 단계, 및
    상기 제2 재료를 상기 기부에 구조적으로 커플링하고 상기 제2 재료 상에 제2 구조화된 특징부를 형성하도록 상기 제2 재료를 스탬핑하여, 이에 의해 제1 재료의 기부 및 상기 제2 구조화된 특징부가 그 위에 형성되어 있는 제2 재료로부터의 보조부를 포함하는 복합 구조체를 형성하는 단계로서, 제1 및 제2 구조화된 특징부는 광학 신호 전송과 관련된 광로를 규정하는, 단계
    를 포함하는, 광학 벤치의 형성 방법.
  20. 광학 벤치이며,
    제1 구조화된 특징부를 형성하는 제1 재료의 기부와,
    제2 재료 상에 제2 구조화된 특징부를 형성하는 제2 재료의 보조부로서, 상기 제2 재료는 상기 제1 재료에 대해 이종이고, 상기 보조부는 상기 기부에 구조적으로 커플링되어 이에 의해 상기 제1 재료의 기부 및 상기 제2 구조화된 특징부가 그 위에 형성되어 있는 제2 재료를 포함하는 복합 구조체를 형성하는, 보조부를 포함하고,
    제1 및 제2 구조화된 특징부는 광학 신호 전송과 관련하여 광로를 규정하는, 광학 벤치.
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