DE102004057691A1

DE102004057691A1 - Anordung und Verfahren zur Verbindung einer optischen ersten Komponente mit einer zweiten Komponente

Info

Publication number: DE102004057691A1
Application number: DE102004057691A
Authority: DE
Inventors: Jens Schick; Gerald Franz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-06-01
Also published as: CN101069114A; CN101069114B; US20090116130A1; WO2006058810A1; EP1820055A1

Abstract

Bei einer Anordnung und bei einem Verfahren zur Verbindung einer optischen ersten Komponente mit einer zweiten Komponente ist vorgesehen, dass mindestens zwei ringförmige Fügeteile, deren Dicke keilförmig verläuft, zwischen je einer Auflagefläche an der ersten und an der zweiten Komponente eingespannt sind, wobei die Fügeteile bezüglich ihrer Drehung und ihrer Verschiebung zueinander derart liegen, dass die erste und die zweite Komponente eine vorgegebene Lage zueinander einnehmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verbindung einer optischen ersten Komponente mit einer zweiten Komponente und Verfahren zur Herstellung der Anordnung.

Bei der Verbindung einer optischen Komponente, beispielsweise eines Objektivs, mit einer weiteren Komponente, beispielsweise einem Bildsensor, ist eine exakte Zuordnung der beiden Komponenten erforderlich, um eine einwandfreie optische Funktion zu erfüllen. Dabei ist ein Ausgleich mangelnder Präzision der Komponenten selbst oder deren Halterungen erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Schwierigkeiten in einfacher Weise zu überwinden und eine robuste langlebige Verbindung der Komponenten zu schaffen.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung dadurch gelöst, dass mindestens zwei ringförmige Fügeteile, deren Dicke keilförmig verläuft, zwischen je einer Auflagefläche an der ersten und an der zweiten Komponente eingespannt sind, wobei die Fügeteile bezüglich ihrer Drehung und ihrer Verschiebung zueinander derart liegen, dass die erste und die zweite Komponente eine vorgegebene Lage zueinander einnehmen.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird die Verbindung ohne den Einsatz von Klebstoffen erreicht, wodurch die Maßhaltigkeit der vorangegangenen Justage trotz Alterung und Umwelteinflüssen erhalten bleibt. Es können preiswerte standardisierte Fügeteile verwendet werden, die sich durch eine hohe Steifigkeit auszeichnen. Außerdem ist die Justage und Montage der erfindungsgemäßen Anordnung in einfacher Weise möglich. Auch unter extremen klimatischen Bedingungen kann durch die Verwendung eines einheitlichen Werkstoffs eine hohe Lebensdauer erzielt werden.

Durch Verdrehen der beiden ringförmigen Fügeteile lassen sich beliebige Neigungen zwischen Null und dem Doppelten des von jeweils einem Fügeteil eingeschlossenen Winkels einstellen. Der Abstand zwischen den beiden zu verbindenden Komponenten lässt sich durch laterale Verschiebung der Fügeteile zueinander einstellen.

Ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass die erste Komponente ein Objektiv ist und dass die zweite Komponente ein Bildsensor ist. Die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern kann bei allen Komponenten erfolgen, die exakt zueinander justiert verbunden werden.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass zum Einspannen der Fügeteile Flansche vorgesehen sind, die mit Hilfe von Schrauben gegeneinander verspannt werden. Die Verspannung mit Hilfe von Schrauben hat sich als vorteilhaft erwiesen. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Möglichkeiten, beispielsweise mit federnden Klammern, geeignet.

Einen hermetischen Verschluss des Bauraumes zwischen den beiden Komponenten wird bei einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, dass die Fügeteile mindestens teilweise die Seitenwände eines geschlossenen Raumes zwischen der ersten und der zweiten Komponente bilden. Damit wird eine Abschirmung für einen EMV-Schutz erreicht.

Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehen, dass die Fügeteile aus Metall bestehen. In Bezug auf Stabilität und Lebensdauer sowie Resistenz gegen Umwelteinflüsse stehen dem Fachmann geeignete Metalle zur Verfügung. Bei Bedarf kann die erfindungsgemäße Anordnung, insbesondere außen, mit Lack oder mit einer anderen geeigneten Beschichtung versehen sein.

Je nach Anwendungsfall im Einzelnen kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehen sein, dass die ringförmigen Fügeteile außen eine kreisrunde Form aufweisen. Bei Bedarf sind auch andere Formen der Fügeteile möglich, beispielsweise rechteckige.

Sofern die erfindungsgemäße Anordnung nicht noch von einem äußeren Gehäuse umgeben ist, sondern die Fügeteile mindestens einen Teil des Gehäuses bilden, kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehen sein, dass die Anzahl und der Keilwinkel der Fügeteile derart groß gewählt sind, dass ein erforderlicher Justagebereich ohne störende Beeinflussung der Außenform der Gesamtheit der Fügeteile gewährleistet ist.

Insbesondere bei größeren Keilwinkeln kann es vorteilhaft sein, wenn Kontaktflächen der Fügeteile zur Erhöhung der Haftung strukturiert sind.

Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Verbindung einer optischen ersten Komponente mit einer zweiten Komponente, wobei mindestens zwei ringförmige Fügeteile, deren Dicke keilförmig verläuft, zwischen je einer Auflagefläche an der ersten und an der zweiten Komponente eingespannt sind und wobei die Fügeteile bezüglich ihrer Drehung und ihrer Verschiebung zueinander derart liegen, dass die erste und die zweite Komponente eine vorgegebene Lage zueinander einnehmen, bei dem vorgesehen ist, dass die Komponenten mittels eines geeigneten Manipulators in eine erste Position zueinander gebracht werden, wobei für die ringförmigen Fügeteile vorgesehene Auflagenflächen mit vorgegebenen Kräften aufeinander gedrückt werden, dass die Koordinaten der ersten Position gespeichert werden, dass die beiden Komponenten in eine zweite Position gebracht werden, die bezüglich einer erwünschten optischen Wirkung optimal ist, dass aus den Differenzen der Positionen eine Verdrehung und eine laterale Verschiebung der Fügeteile berechnet wird und dass die Fügeteile unter Berücksichtigung der berechneten lateralen Verschiebung und Verdrehung zwischen die Komponenten gebracht und eingespannt werden.

Diese Verfahrensschritte können weitgehend automatisiert sein, so dass eine kostengünstige Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung gewährleistet ist.

Bei einem anderen Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung ist vorgesehen, dass zur Herstellung der Fügeteile zwei Träger, die jeweils eine plane Oberfläche aufweisen, die einen Winkel einnehmen, der dem Dickenverlauf eines Fügeteils entspricht, dass an denjenigen Stellen der Oberfläche, welche den Auflagenflächen der herzustellenden Fügeteile entsprechen, je eine Metallschicht abgeschieden wird, dass durch Aufbringung weiteren Metalls die Metallschichten miteinander verbunden werden und dass das entstandene Fügeteil von den Oberflächen der beiden Träger abgelöst wird.

Durch dieses Verfahren ist eine kostengünstige und präzise Herstellung der Fügeteile möglich, wobei die Präzision im Sinne der Planität, Passe und Oberflächenrauheit von dem einmal hergestellten Werkzeug auf die Fügeteile übertragen wird. Als Werkstoff für die Träger eignen sich beispielsweise Glaskeramik, Glas oder Keramik. Die Träger können dabei streifenförmig sein, so dass mehrere Fügeteile nebeneinander hergestellt werden können. Die Kontaktflächen der Fügeteile werden als Metallspiegel durch Bedampfen (Sputtern oder Vakuumbedampfung) abgeschieden. Als Werkstoff eignen sich hierfür beispielsweise Kupfer, Nickel oder Silber. In einem weiteren Prozessschritt werden die aufgedampften Kontaktflächen der Fügeteile elektrolytisch verstärkt, bis eine Stärke von etwa 0,1 mm erreicht wird. Dabei kommen die gleichen Werkstoffe in Frage.

In einem dritten Prozessschritt werden die oberen und unteren Kontaktflächen der Fügeteile miteinander verbunden. Dieses kann gemäß einer ersten Ausführungsform des Verfahrens dadurch bewirkt werden, dass die Verbindung der Metallschichten durch Eintauchen in ein Lötbad erfolgt.

Eine zweite Ausführungsform besteht darin, dass zum Verbinden der beiden Metallschichten ein Zwischenstück mit geringeren Anforderungen an die Maßhaltigkeit zwischen die Metallschichten gebracht wird und dass durch Eintauchen in ein Lötbad die Metallschichten mit dem Zwischenstück verbunden werden.

Bei einer dritten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Metallschichten zunächst elektrolytisch verstärkt werden und dass die verstärkten Metallschichten leitend miteinander verbunden werden und als Kathode in ein Elektrolysebad getaucht werden, bis der Raum zwischen den Metallschichten mit Metall aufgefüllt ist.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung,
2 die geometrischen Verhältnisse und Größen bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 eine Vorrichtung zur Durchführung des weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 stellt schematisch im Schnitt eine Videokamera dar, wie sie beispielsweise für optische Sensoren in der Kraftfahrzeugtechnik verwendet wird. Ein Objektiv 1, das schematisch als aus einer Linse bestehend dargestellt ist, wird in einer Halterung 2 gehalten, die gleichzeitig ein erstes Gehäuseteil ist. Ein zweites Gehäuseteil 3 trägt auf einem Kühlkörper 4 einen Halbleiterbildsensor 5. Auf diesem wird die aufzunehmende Szene mit Hilfe des Objektivs 1 abgebildet.
Zur Justierung der richtigen Lage des Objektivs 1 und dem Bildsensor 5 sind zwei Fügeteile 6, 7 vorgesehen, die mit Hilfe zweier Flansche 8, 9 und am Umfang verteilten Schrauben 10, 11 zwischen den beiden Gehäuseteilen 2, 3 eingespannt sind. Die Dicke der Fügeteile 6, 7 weist einen keilförmigen Verlauf auf, so dass durch Drehung und Verschiebung der Fügeteile gegeneinander die Gehäuseteile 2, 3 und damit das Objektiv 1 und der Bildsensor 5 gegeneinander verkippt werden können und ihre Entfernung eingestellt werden kann.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die in 2 dargestellten Größen erläutert. Zunächst wird das Gehäuseteil 2 eingespannt. Das Gehäuseteil 3 wird von einem Manipulator ergriffen. Dieser hat sechs Freiheitsgrade, weshalb er auch als Hexapod bezeichnet wird. Der Manipulator fährt das Gehäuseteil 3 gegen das Gehäuseteil 2, so dass die Auflagenflächen 12, 13 aufeinander liegen und mit einer vorgegebenen Kraft aufeinander gedrückt werden. Es folgt eine Initialisierung dadurch, dass die Koordinaten x, y und z gespeichert werden.
Danach wird das Gehäuseteil 3 vom Manipulator bewegt, bis es sich in einer Position befindet, in welcher der Bildsensor 5 eine optimale Bildqualität liefert. Damit sind Koordinaten x, y, z, u, v, w bekannt. Für die Messung der Bildqualität stehen geeignete Messmittel zur Verfügung.
Die Lagen der beiden Fügeteile 6 und 7 werden aus den Koordinaten der optimalen Position berechnet, nämlich x1, y1, φ1, x2, y2 und φ2. Die beiden Fügeteile 6 und 7 werden zusammengefügt, wobei durch Verdrehen der Fügeteile 5, 6 gegeneinander um φ1 – φ2 u und v eingestellt werden. Wenn u und v einen Grenzwert unterschreiten, wird durch laterales Verschieben ein Untermaß für die Höhe h1 + h2 der Summe beider Fügeteile 6, 7 eingestellt, was eine sichere Montage erlaubt.
Nun werden beide Fügeteile 6, 7 zur Montage in die Schieberichtung (φ1, φ2) ausgerichtet. Das ausgerichtete Fügeteil-Paar wird in Schiebelage gebracht und zur Montage zwischen die Gehäuseteile 2 und 3 geschoben. Für hinreichend große u, v wird nun das Fügeteil-Paar 6, 7 solange zwischen den Gehäuseteilen 2, 3 geschoben, bis die Kräfte eine vorgegebene Schwelle überschreiten. Es erfolgt dann eine Abdichtung durch den Flächenkontakt. Wenn u, v zu klein sind, muss das eingestellte Untermaß durch entgegengesetztes laterales Verschieben solange korrigiert werden, bis die Kräfte jeweils die vorgegebene Schwelle überschreiten.
Danach werden die Gehäuseteile 2 und 3 miteinander verschraubt, so dass die Kräfte eine vorgegebene niedrige Schwelle jeweils gerade unterschreiten. Es ergibt sich somit eine Maßhaltigkeit durch Kräftefreiheit.
3 dient zur Erläuterung verschiedener Verfahren zur Herstellung der Fügeteile, wobei jeweils zwei plane Flächen 21, 22 eine dem Keilwinkel entsprechende Fläche bilden. In einem ersten Schritt werden die Kontaktflächen der Fügeteile auf die Oberflächen 21, 22 der Träger 23, 24 aufgebracht (3a), so dass auf jeweils einer Oberfläche 21, 22 ein Ring (3b) aus einer metallischen Schicht 25, 26 entsteht. In weiteren Prozessschritten werden die beiden Träger 23, 24 mit den beiden Metallschichten 25, 26 in ein Lötbad getaucht. Bei geeigneter Prozessführung werden die Metallschichten 25 und 26 miteinander verbunden, so dass nach dem Härten des Lots durch eine Erwärmung der Träger 23, 24 das fertige Fügeteil 27 abgelöst werden kann (3c).
Bei der zweiten Varianten nach 3d wird vor dem Eintauchen in ein Lötbad ein grob bearbeitetes Zwischenstück 28, an dessen Maßhaltigkeit geringe Anforderungen gestellt werden können und es deshalb als Stanzteil hergestellt werden kann, zwischen die Metallschichten 25, 26 gebracht. Nach dem Einbringen in das Lötbad erfolgen die gleichen Prozessschritte wie bei der ersten Varianten.
Eine dritte Variante (3e) besteht darin, dass die beiden Metallschichten 25, 26 als gemeinsame Kathode 29 kontaktiert werden und wieder in das Elektrolysebad eingetaucht werden. Bei geeigneter Prozessführung werden nun bei einer hinreichend kleinen Abscheiderate die beiden Metallschichten 25, 26 elektrolytisch miteinander verbunden. Nach der vollständigen Verbindung der Ober- und Unterseiten werden die Fügeteile durch Erwärmung von den Trägern 23 abgelöst.

Claims

Anordnung zur Verbindung einer optischen ersten Komponente (1, 2) mit einer zweiten Komponente (5, 3), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei ringförmige Fügeteile (6, 7), deren Dicke keilförmig verläuft, zwischen je einer Auflagefläche (12, 13) an der ersten (1, 2) und an der zweiten Komponente (5, 3) eingespannt sind, wobei die Fügeteile (6, 7) bezüglich ihrer Drehung und ihrer Verschiebung zueinander derart liegen, dass die erste (1, 2) und die zweite Komponente (5, 3) eine vorgegebene Lage zueinander einnehmen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente ein Objektiv (1) ist und dass die zweite Komponente ein Bildsensor (5) ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einspannen der Fügeteile (6, 7) Flansche (8, 9) vorgesehen sind, die mit Hilfe von Schrauben (10, 11) gegeneinander verspannt werden.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeteile (6, 7) mindestens teilweise die Seitenwände eines geschlossenen Raumes zwischen der ersten (1, 2) und der zweiten Komponente (5, 3) bilden.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeteile (6, 7) aus Metall bestehen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Fügeteile (6, 7) außen eine kreisrunde Form aufweisen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl und der Keilwinkel der Fügeteile (6, 7) derart groß gewählt sind, dass ein erforderlicher Justagebereich ohne störende Beeinflussung der Außenform der Gesamtheit der Fügeteile (6, 7) gewährleistet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktflächen der Fügeteile (6, 7) zur Erhöhung der Haftung strukturiert sind.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Verbindung einer optischen ersten Komponente mit einer zweiten Komponente, wobei mindestens zwei ringförmige Fügeteile, deren Dicke keilförmig verläuft, zwischen je einer Auflagefläche an der ersten und an der zweiten Komponente eingespannt sind und wobei die Fügeteile bezüglich ihrer Drehung und ihrer Verschiebung zueinander derart liegen, dass die erste und die zweite Komponente eine vorgegebene Lage zueinander einnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten mittels eines geeigneten Manipulators in eine erste Position zueinander gebracht werden, wobei für die ringförmigen Fügeteile vorgesehene Auflagenflächen mit vorgegebenen Kräften aufeinander gedrückt werden, dass die Koordinaten der ersten Position gespeichert werden, dass die beiden Komponenten in eine zweite Position gebracht werden, die bezüglich einer erwünschten optischen Wirkung optimal ist, dass aus den Differenzen der Positionen eine Verdrehung und eine laterale Verschiebung der Fügeteile berechnet wird und dass die Fügeteile unter Berücksichtigung der berechneten lateralen Verschiebung und Verdrehung zwischen die Komponenten gebracht und eingespannt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Verbindung einer optischen ersten Komponente mit einer zweiten Komponente, wobei mindestens zwei ringförmige Fügeteile, deren Dicke keilförmig verläuft, zwischen je einer Auflagefläche an der ersten und an der zweiten Komponente eingespannt sind und wobei die Fügeteile bezüglich ihrer Drehung und ihrer Verschiebung zueinander derart liegen, dass die erste und die zweite Komponente eine vorgegebene Lage zueinander einnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Fügeteile zwei Träger, die jeweils eine plane Oberfläche aufweisen, die einen Winkel einnehmen, der dem Dickenverlauf eines Fügeteils entspricht, dass an denjenigen Stellen der Oberfläche, welche den Auflagenflächen der herzustellenden Fügeteile entsprechen, je eine Metallschicht abgeschieden wird, dass durch Aufbringung weiteren Metalls die Metallschichten miteinander verbinden werden und dass das entstandene Fügeteil von den Oberflächen der beiden Träger abgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Metallschichten durch Eintauchen in ein Lötbad erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbinden der beiden Metallschichten ein Zwischenstück mit geringeren Anforderungen an die Maßhaltigkeit zwischen die Metallschichten gebracht wird und dass durch Eintauchen in ein Lötbad die Metallschichten mit dem Zwischenstück verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschichten zunächst elektrolytisch verstärkt werden und dass die verstärkten Metallschichten leitend miteinander verbunden werden und als Kathode in ein Elektrolysebad getaucht werden, bis der Raum zwischen den Metallschichten mit Metall aufgefüllt ist.