DD280522A1 - Verfahren und manipulator zum verbinden von bauelementen aus glas und/oder glaskeramik und/oder kristallen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Manipulator zum Verbinden von Bauelementen aus Glas und/oder Glaskeramik und/oder Kristallen. Die Erfindung dient der Herstellung sehr genauer Glas- bzw. Glaskeramik- oder Kristallverbindungen fuer die optische Industrie oder den Geraetebau. Es wird ein Ansprengkontakt erreicht, der sich inbesondere fuer ein nachfolgendes Diffusionsschweissen eignet. Erfindungsgemaess wird das Reinigen und Aktivieren der Fuegeflaechen sowie das Ansprengen unter definierten Bedingungen in einem Rezipienten durchgefuehrt. Zum Herstellen des Ansprengkontaktes wird ein neuartiger Manipulator verwendet. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung dient der Herstellung sehr genauer Glas- bzw. Glaskeramik- bzw. Kristallverbindungen für die optische Industrie oder den Gerätebau. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Ansprengkontakt erreicht, der sich insbesondere für ein nachfolgendes Diffusionsschweißen eignet. Voraussetzung ist eine Präzisionsbearbeitung der zu fügenden Flächen, die vorzugsweise durch Polieren erreicht wird.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

In DD-WP 129413 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Verbindung zwischen Glas oder Glaskeramik durch Anwendung von Wärme und Druck erzeugt wird. Es wird zwar in Abhängigkeit von den Fügeparametern eine möglichst minimale Verformung angestrebt, jedoch verbleibt, wie umfangreiche Untersuchungen zeigten, aus physikalischen Gründen eine Mikroverformung. Dadurch wird letztlich die erreichbare Genauigkeit eines solchen Fügeprozesses auf einige Zehntel mm begrenzt. Die Genauigkeit ist also um rund 3 Zehnerpotenzen schlechter als für optische Bauelemente benötigt werden.

DE-OS 2342852 beschreibt ein Verfahren, daß durch eine CVD-Beschichtung mit vorangegangener Politur ansprengfähige und schweißbare Oberflächen herstellt. Auf konventionellem, d. h. manuellem. Weg wird durch den Feinoptiker das Ansprengen durchgeführt. Anschließend erfolgt in einer anderen Erwärmungseinrichtung durch Infrarotstrahlung die Erwärmung und damit der Schweißprozeß. Negativ wirkt der Umstand, daß die nach der Beschichtung frischen und äußerst reaktionsfreudigen Oberflächen zum Zwecke des Ansprengens den Rezipienten dor Beschichtungsanlage wieder verlassen müssen. Je nach Zeitdauer und Umge.^ngsbedingungen bewirkt die unkontrollierte Adsorption und Kontamination eine Verschlechterung des Ansprengens und damit eine negative Beeinflussung der Schweißbarkeit. Dadurch leidet die Reproduzierbarkeit und die Qualität (optisches Übertragungsverhalten) unter Fertigungsbedingungen.

In DD-WP 257193 wird beschrieben, wie durch gezielte Anwendung bestimmter Betriebshilfsstoffe (Poliermittel, Reinigungsmittel usw.) die Schweißbarkeit zu fügender Oberflächen optischer Bauelemente günstig beeinflußt wird. Ausgenutzt wird dabei eine erfindungsgemäße Kombination von Adsorptionsprozessen bei der Bearbeitung und Reinigung der

zu fügenden Oberflächen und Prozesse bei einer bestimmten zeitabhängigen Lagerung der angesprengten optischen Bauelemente. Einer der entscheidenden Prozesse für die Herstellung schweißbarer optischer Kontakte, das Ansprengen, bleibt dabei vom Geschick und der verfahrenstechnischen Disziplin des Feinoptiko· 2 abhängig. Unter redien Fertigungsbedingungen sind Reproduktionsschwierigkeiten somit unvermeidlich. Eine Erhöhung der Sauberkeit der Umgebungsbedingungen ist im Prinzip nur durch aufwendigere Reinraumtechnik machbar.

In der EP-A1 106230 ist ein Verfahren zum Justieren und nachfolgendem Ansprengen von Spiegelträgern mit Resonatorspiegeln auf einer Grundplatte beschrieben. Die miteinander zu verbindenden Teile werden zunächst feinstbearbeitet und so aufeinandergesetzt, daß zwischen, ihnen ein sehr enger Spalt bleibt. Dieser Spalt gestattet ein Verschieben und eine Justage der Teile zueinander mit Hilfe eines Manipulators. Wenn der gewünschte Justierzustand erreicht ist, werden die Spiegelträger manuell gegen die Flächo der Grundplatte gedruckt und damit auf dieser durch Ansprengb.i fixiert.

Der Manipulator wird nur zur Lagejustierung verwendet, das Ansprengen erfolgt nicht mit dessen Hilfe. Ein Manipulator, der einen gleichmäßigen, sauberen Ansprengkontakt über die gesamte Fügefläche bewirkt, ist nicht bekannt. Der Druck auf das justierte Bauteil kann nach der EP-A1 106230 zur Dejustiorung führen, so daß weitern;-, ein Naßansprengverfahren beschrieben ist, bei dem das Ansprengen ohne Druckeinwirkung mit Hilfe einer leicht verdampfenden Flüssigkeit erfolgt, die den Luftspalt zwischen den zu verbindenden Teilen allmählich verringert. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Verbindung für ein nachfolgendes Diffusionsschweißen nicht geeignet ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Herstellung sehr genauer und sauberer Verbindungen von Bauelementen aus Glas, Glaskeramik oder Kristall durch Ansprengen. Die erzielte Verbindung soll für ein nachfolgendes Diffusionsschweißen besonders geeignet sein und optische Baugruppen mit besten optischen Übertragungseigenschaften ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Beitrag zur Automatisierung des Verbindungsprozesses zu leisten, indem ein definiertes und reproduzierbares Verfahren zum Herstellen der Ansprengverbindung zu entwickeln ist und die dazu notwendigen Vorrichtungselemente zu schaffen sind.

Erfindungsgemäß werden die durch Ansprengen zu verbindenden Bauelemente aus Glas, Glaskeramik bzw. Kristall in die Halterungen eines neuartigen Manipulators, der sich innerhalb eines Rezipienten befindet, eingesetzt. Der Rezipient wird anschließend evakuiert und/oder mit Schutzgas gespült, und die FUgeflächen werden von noch vorhandenen Fremdkörpern sowie physikalisch und chemisch adsorbierten Schichten gereinigt. Dies erfolgt mittels bekannter Verfahren, wie z. B. durch Beglimmen oder Sputtern.

Sofern im Rezipienten ein Vakuum erzeugt wurde, wird dieses jetzt durch Einlaß von aktivitätserhöhenden Gasen, wie z. B. feuchtem H₂- oder anderen Gasen bzw. Gasgemischen, die durch Dissoziation adsorptionsfähige Bestandteile freisetzen können, eliminiert, so daß durch quasigesteuerte Adsorption dieser Gase an den Fügeflächen ein definierter Zustand dieser Flächen erzeugt wird. Es ist auch möglich, das ggf. beieits eingelassene Schutzgas dafür zu verwenden. Danach werden die Fügeflächen unter Verwendung des Manipulators zueinander ausgerichtet und angesprengt. Der erfindungsgemäße Manipulator befindet sich innerhalb des Rezipienten und kann mit Hilfe verlängerter Vakuumdrehdurchführungen, die räumlich gegenüber auf der Grundplatte des Rezipienten angeordnet sind, gahandhabt werden. Der Manipulator besteht aus einem kippba, en Halter sowie einem schwenkbaren Haitur, wobei der kippbare Halter über einen ersten Ausleger und ein die Drehrichtung umlenkendes Getriebe mit der ersten Vakuumdrehdurchführung verbunden ist und der schwenkbare Halter über einen rechtwinklig zur zweiton Vakuumdrehdurchführung angeordneten zweiten Ausleger fest mit dieser verbunden und dadurch um die Achse der zweiten Vakuumdrehdurchführung schwenkbar ist. Der schwenkbare Halter besitzt eine an sich bekannte Spanneinrichtung zur Aufnahme eines der Bauelemente. Am kippbaren Halter ist eine Spanneinheit für das zweite Bauelement über ein rechtwinklig zueinander angeordnetes Blattfederpaar und ein rechtwinklig zueinander angeordnetes Zugfederpaar kippbar gelagert. Die Längen der Ausleger werden so bemessen, daß nach der Justierung der Halter die Kreisbahnen der Flächenmittelpunkte der zu fügenden Flächen der Bauelemente sich berühren. Durch diese Konstruktion werden die Bewegungen zur Herstellung des Ansprengkontaktes in den verschiedenen Bewegungselementen se verknüpft, daß ein Passen der zu fügenden Oberflächen im Bereich von Bruchteilen von pm möglich ist. In diesem Stadium sind Interferenzen sichtbar, die mit optischen Systemen auch außerhalb des Rezipienten beobachtet werden können.

Um einen gleichmäßigen innigen Kontakt über die gesamte Fügefläche zu erreichen, ist es günstig, wenn der kippbare Halter aus einem äußeren und einem inneren Ring zusammengesetzt wird, wobei der innere Ring über die Federpaare mit der Spanneinheit verbunden ist und gegenüber dem äußeren Ring verdreht werden kann. Der innere Ring wird so gedreht, daß die Tangente an der Kreisbahn des schwenkbaren Halters mit dor Winkelhalbierenden des Blattfederpaares zusammenfällt. Der entstandene Ansprengkontakt kann durch eine Erwärmungseinrichtung im Rezipienten in eine Schweißverbindung überführt werden, bei der die Genauigkeit, die Sauberkeit und damit die optische Transmission der zu fügenden Baugruppe entscheidend verbessert sind.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung wird nachfolgend anhand cinos Ausführungsbeispieles boschrieben. In der dazugehörenden Zeichnung zeigen: Fig. 1: den Manipulator Fig. 2: den kippbaren Halter des Manipulators in der Draufsicht.

Der Manipulator ist prinzipiell für die Herstellung beliebiger Ansprengverbindungen geeignet. Die Abmessungen der zu fügenden Bauelemente, die in weiten Bereichen schwanken können (1 ...300mm oder mehr), erfordern einen diesen Größenverhältnissen angepaßten Rezipienten und Manipulatoren. Im vorliegenden Fall soll ein als Spiegdlträgor ausgebildetes Bauelement 12 (Durchmesser 15mm) mit einem als Platte ausgebildeten Bauelement 14 (Durchmesser 30mm) verbunden werden. Für diese Zwecke reicht ein Rezipientendurchmesser von etwa 500mm aus.

Der Spiegelträger 12 wird mittels der Spanneinrichtung 11 in den schwenkbaren Halter 2 eingesetzt. Die Platte 14 wird mittels der Spanneinheit 13 in den kippbaren Halter 1 eingesetzt. Das Ausrichten der im wesentlichen aus Halter 1 und 2, Ausleger 3 und 4 sowie Vakuumdrehdurchführungen 5 und 6 bestehenden Manipulatorarme erfolgt so, daß die Kreisbahn des Spiegelträgers 12 über die Mitte der Platte 14 im Halter 1 führt. Das Ausrichten ist nur einmal notwendig, es sei denn, daß wesentlich andere Abmessungen der zu fügenden Teile oder Geometrien vorliegen. Das Ausrichten nach der Höhe erfolgt durch Verändern der H'jhe der Vakuumdrehdurchführung 6. Die praktischen Erfahrungen zeigen, dal.< zur Grobeinstellung die Einstellung nach der Schutzfasenbreite genügt. Die Feineinstellung ist nicht unbedingt erforderlich. Der kippbare Halter 1 mit den Federelementen 15, 16,17,18 gewährleistet die Feinjustierung automatisch und erzeugt gleichzeitig eine gewisse Vorspannung zum Ansprengen.

Diese beiden Funktionen können allerdings nur erfüllt werden, wenn zuvor noch durch Verdrehen des inneren Ringes 20 gegen den äußeren Ring 19 ein Ausrichten der Winkelhalbierenden (0-0) nach der Tangente an der Kreisbahn des schwenkbaren Halters 2 erfolgt.

Wenn diese Justierarbeiten erfolgt sind, kann der Rezipient 10 geschlossen werden. Der kippbare Halter 1 wird nun mittels Vakuumdrehdurchführung 5 und Getriebe 7 und 8 so gedreht, daß die zu fügende Fläche der Platte nach unten zeigt. Der entscheidende Vorteil besteht darin, daß mit einer relativ einfachen Einrichtung zum Glimmen oder Reinigen mit UV-Licht beide zu fügenden Flächen gleichzeitig gereinigt werden können. Derartige Einrichtungen sind Bestandteil z. B. jeder Bedampfungsanlage.

Das Reinigungsregime (einzustellende Parameter z. B. Glimmstrom, Glimmspannung) hängt von den Werkstoffen ab. Sie können aus Tabellen des Anlagenherstellers oder aus der Fachliteratur entnommen werden. Nach einer solchen Reinigungsprozedur, die etwa 10 min im Vorvakuumbereich (bis 1 Pa) dauert, wird bis etwa 10"⁴Pa evakuiert. Je tiefer das Vakuum, desto weniger Fremdatome bzw. Fremdmoleküle stören den nachfolgenden Adsorptionsprozeß.

Durch die Vakuumdrehdurchführung 5 kann der Halter 1 nun um 180° gedreht warden (zu fügende Oberfläche nach oben).

Über ein Nadelventil, das alle diese Anlagen besitzen, kann nun ein Gas oder Gasgemisch eingelassen werden. Die Gasart hängt vor allem von den chemischen Bindungsverhältnissen in den Werkstoffen der optischen Bauelemente ab. Die eingeleiteten Gase müssen zu adsorbierten polaren Oberflächengruppen an den zu fügenden Oberflächen führen. Bei Silikatgläsern wurden gute Ergebnisse mit einem Gemisch aus einem beliebigen Inertgas (Ar, N₂ o. ä.) und H₂O-Dampf gewonnen. Der Druck sinkt dabei bis auf etwa 100 Torr. Je nach Anlagenbauart muß zwischendurch ein Zurückschalten von der Hochvakuumpumpe zur Vorvakuumpumpe erfolgen (sonst automatisch). Deshalb bleibt der Rezipient noch fest verschlossen. Bei Silikatgläsern baut sich nach etwa 30-60 min je nach gewünschter Schichtdicke eine später schweißbare Adsorptionsschicht auf.

Danach liegen hochaktive und hochreine zu fügende Oberflächen vor. Halter 2 kann nun in Richtung Halter 1 geschwenkt werden. Beide zu fügenden Bauelemente 12 und 14 berühren sich genau in der Höhe der Schutzfasern (im Beispiel 0,5mm).

Durch leichtes Verkippen in Richtung des zu fügenden Bauelementes 12 kann ein Aufeinandergleiten erfolgen. Der notwendige Kippwinkel beträgt im Beispiel bei 30mm Durchmesser und 0,5mm Schutzfase ~ 2°. Ab etwa 10% sich berührender Flächen empfiehlt sich ein Zurückkippen des Halters 1 in die Waagerechte bei gleichzeitigem Weiterschwenken des Halters 2. Bei sorgfältiger Justierung der Manipulatorarme befindet sich die zu fügende Platte 14 genau in der Mitte des Spiegelträgers 12. In diesem Stadium (zurückkippen und weiterschwenken) werden Interferenzfarben sichtbar. Die Beobachtung kann je nach individuellen Ansprüchen mittels eines Spiegels und Linsensystems oder einer sich im Rezipienten befindlichen Kamera erfolgen. Die Bewogungsgeschwindigkeit der Halter unterscheidet sich nicht signifikant vom manuellem Ansprengen.

Bei sehr aktiven Oberflächen besteht die Gefahr des partiellen Ansprengens. Das Federsystem bewirkt einen gleichmäßigen Kontakt und wirkt dem partiellen, unerwünschten Ansprengen weitestgehend entgegen.

Nach der Positionierung erfolgt durch leichtes Verkippen von Halter 1 das Auslösen des Ansprengprozesses.

Nach erfolgtem Ansprengen können die Bauelemente entweder aus dem Rezipienten entnommen werden, sofern nur angesprengte Bauelemente gewünscht werden, oder es kann das Diffusionsschweißen erfolgen. Dazu ist es nur notwendig, eine einfache Strahlungserwärmungseinrichtung in der Nähe der gefügten Bauelemente zu positionieren. Vorteilhaft wirkt sich nun die erhöhte Schweißbarkeit des Ansprengkontaktes aus. da er nicht mehr unkontrollierbaren Adsorptionsprozessen an der Atmosphäre unterliegt.

Die Schweißtemperaturen richten sich nach den Transformationstempersturen der Gläser/Glaskeramiken bzw. Schmelzpunkt der Kristalle. Der Vorteil des Verfahrens besteht in der steten Reproduzierbarkeit schweißfähiger Ansprengkontakte unabhängig von den sonstigen optiktechnologischen Durchlaufzwängen und Lagerungszeiten.

Claims (3)

1. Verfahren zum Verbinden von Bauelementen aus Glas und/oder Glaskeramik und/oder Kristallen mit feinstbearbeiteten und vorgereinigten Fügeflächen durch Ansprengen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente in Halterungen eines Manipulators, der sich innerhalb eines Rezipienten befindet, eingesetzt werden, der Rezipient anschließend evakuiert und/oder mit Schutzgas gespült wird, die Fügeflächen im Rezipienten von noch vorhandenen Fremdkörpern sowie physikalisch und chemisch adsorbierten Schichten gereinigt werden, daß weiterhin das Vakuum durch Einlaß von aktivitätserhöhenden Gasen bzw. des Schutzgases in den Rezipienten gebrochen wird, so daß durch quasigesteuerte Adsorption dieser Gase an den Fügeflächen ein definierter Zustand der Fügeflächen erzeugt wird und daß danach die Fügeflächen zueinander ausgerichtet und die Bauelemente unter Verwendung des Manipulators angesprengt werden.

2. Manipulator zum Verbinden von Bauelementen aus Glas und/oder Glaskeramik und/oder Kristallen durch Ansprengen, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Manipulator über verlängerte Vakuumdrehdurchführungen (5,6), die räumlich gegenüber auf der Grundplatte (9) eines Rezipienten (10) angeordnet sind, innerhalb dieses Rezipienten befindet und aus einem kippbaren Halter (1) sowie einem schwenkbaren Halter (2) besteht, wobei der kippbare Halter (1) über einen ersten Ausleger (3) und ein die Drehrichtung um 90° umlenkendes Getriebe (7,8) mit der ersten Vakuumdrehdurchführung (5) verbunden ist und der schwenkbare Halter (2) über einen rechtwinklig zur zweiten Vakuumdrehdurchführung (6) angeordneten zweiten Ausleger (4) fest mit dieser verbunden und um deren Achse schwenkbar ist und wobei weiterhin am schwenkbaren Halter (2) eine an sich bekannte Spanneinrichtung (11) zur Aufnahme eines der Bauelemente (12) befestigt ist und am kippbaren Halter (1) eine Spanneinheit (13) für das zweite Bauelement (14) über ein rechtwinklig zueinander angeordnetes Blattfederpaar (15,16) und ein rechtwinklig zueinander angeordnetes Zugfederpaar (17,18) kippbar gelagert ist und die Längen der Ausleger (3,4) so bemessen sind, daß nach der Justierung der Halter (1,2) die Kreisbahnen eines beliebigen Punktes oder Flächenelementes auf den in Kontakt zu bringenden Oberflächen der Bauelemente (12,14) im Winkel von 90° zueinander stehen.

3. Manipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kippbare Halter (1) aus einem äußeren Ring (19) und einem inneren Ring (20) zusammengesetzt ist, wobei der innere Ring (20) über das Blattfederpaar (15,16) und das Zugfederpaar (17,18) die Spanneinheit (13) trägt und gegenüber dem äußeren Ring (19) verdrehbar ist.