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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Aufbau, insbesondere einen
optischen Aufbau, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Bauteil und
einem die beiden Bauteile verbindenden Verbindungselement. Es gibt
eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten,
bei denen zwei Bauteile in einem gewissen Abstand zueinander ausgerichtet
und fixiert werden müssen.
Insbesondere in der Optik müssen
optische Bauteile häufig
mit extrem hoher Positions- und Winkelgenauigkeit zueinander ausgerichtet
werden und dann in der ausgerichteten Position relativ zueinander
fixiert werden, um beispielsweise Abbildungsfehler gering zu halten.
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Ein
Beispiel eines solchen Aufbaus ist in der
DE 100 43 985 dargestellt. Hier wird
der Abstand zwischen zwei Bauteilen dadurch festgelegt, daß das eine
Bauteil mit vier Füßen versehen
ist, die auf das andere Bauteil geklebt werden. Da jedoch im allgemeine
gewisse Bauteiltoleranzen bestehen, müssen die beiden Bauteile vor
dem Aufkleben zueinander ausgerichtet werden, was zur Folge hat,
daß meist nicht
alle vier Füße flächig auf
dem gegenüberliegenden
Bauteil aufstehen, sondern teilweise nur punktförmig oder sogar überhaupt
nicht berühren.
Bei der Justierung entstehen somit automatisch kleine Justierspalte
zwischen den Füßen und
dem gegenüberliegenden
Bauteil. Zur Fixierung wird hier ein Klebstoff verwendet, der die
Füße umgibt
und zwangsläufig
auch die entspre chenden Justierspalte füllt. Mit anderen Worten wird
der Klebstoff hier konstruktiv verwendet, da er kleine Justierspalte überbrückt, was zwar
zunächst
eine exakte Ausrichtung der beiden Bauteile zueinander erlaubt,
jedoch gegebenenfalls aufgrund eines Schrumpfprozesses des Klebstoffes beim
Aushärten
möglicherweise
eine Dejustierung nach sich zieht.
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Bei
den eingangs genannten Aufbauten besteht des weiteren das Problem,
daß der
Aufbau häufig
gewissen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, so daß, insbesondere
dann, wenn die beiden Bauteile eine unterschiedliche thermische
Ausdehnung zeigen, es durch eine Temperaturveränderung zu Abweichungen von
der exakten Position und der Winkelorientierung kommen kann. Auch
bei der beschriebenen „konstruktiven" Verwendung des Klebstoffes
kommt es zu einer Dejustierung, da der Klebstoff meist ein von den
Bauteilen und den verwendeten Füßen abweichendes
Ausdehnungsverhalten bei Temperaturänderungen zeigt.
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Temperaturänderungen
führen
aber nicht nur zu einer Dejustierung, sondern häufig und insbesondere bei der
in der
DE 100 43 985 beschriebenen Verbindungstechnik
zu einer Verbiegung von zumindest einem Bauteil. Dies liegt an der
recht starren Verbindung der beiden Bauteile miteinander.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen
Aufbau, insbesondere einen optischen Aufbau der eingangs genannten
Art zur Verfügung
zu stellen, bei dem die beiden Bauteile auch bei größeren Temperaturschwankungen
eine extrem hohe Positions- und Winkelgenauigkeit zueinander aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
daß das
Verbindungselement mindestens zwei elastische Elemente bzw. Federelemente aufweist,
wobei jedes Federelement stark anisotrope elastische Eigenschaften
hat, so daß deren
Federkonstante in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen jeweils
mindestens doppelt so groß ist
wie in der dritten, zu den beiden ersten Raumrichtungen senkrechten,
der sogenannten Elastizitätsrichtung, wobei
die beiden Federelemente Elastizitätsrichtungen aufweisen, die
nicht parallel zueinander verlaufen.
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Im
allgemeinen versteht man unter der Federkonstante bzw. der Federrichtgröße die Proportionalitätskonstante,
welche die Auslenkung einer linearen Feder mit der daraus resultierenden
Auslenkungskraft in Beziehung setzt. In der Praxis sind jedoch lineare
Federn nicht leicht zu verwirklichen. Die elastischen Elemente bzw.
die Federelemente lassen sich im allgemeinen nicht nur in einer
Raumrichtung aus ihrer Ruhelage auslenken, sondern auch in den anderen
hierzu senkrecht verlaufenden Richtungen. Je kleiner die Federkonstante
ist, um so „weicher" ist das Federelement
bzw. um so leichter läßt sich
das Federelement aus der Ruhelage auslenken. Im folgenden wird daher
angenommen, daß die
Federelemente, die im übrigen
durch jedes beliebige elastische Element verwirklicht werden können, in
allen Raumrichtungen zumindest in einem bestimmten Ausmaß aus lenkbar
sind, wobei jedoch die Federkonstante in zumindest einer Richtung
höchsten
halb so groß ist,
wie in den anderen Richtungen. Die Federelemente stellen daher in
einer Richtung eine vergleichsweise „weiche" Verbindung (diese Richtung wird hier
Elastizitätsrichtung
genannt) und in den anderen Richtungen eine vergleichsweise „starre" Verbindung dar.
Es versteht sich, daß genaugenommen kein
linearer Zusammenhang zwischen Auslenkungskraft und Auslenkung besteht.
Die Federkonstante ist somit nur eine Näherung, die für kleine
Auslenkungen, um die es bei der vorliegenden Erfindung geht, aber
die Realität
sehr gut beschreibt.
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Auch
wenn jede nicht parallele Anordnung der Elastizitätsrichtungen
erfindungsgemäße Vorteile mit
sich bringt, ist, insbesondere bei der Verwendung von lediglich
zwei Federelementen, eine im wesentlichen senkrechte Anordnung der
beiden Elastizitätsrichtungen
zueinander von Vorteil. Durch die beschriebene Maßnahme wird
erreicht, daß zumindest die
Winkelgenauigkeit bei größeren Temperaturänderungen
relativ hoch bleibt. Dabei dient jedes Federelement dazu, einerseits
die Bewegung des ersten Bauteils gegenüber dem zweiten Bauteil, insbesondere
bei einer Temperaturveränderung,
in einer Richtung, der sogenannten Elastizitätsrichtung, in begrenztem Maße zuzulassen,
während
eine entsprechende Relativbewegung in den anderen hierzu in etwa
senkrecht verlaufenden Richtungen möglichst verhindert wird. Dabei
verläuft
die Elastizitätsrichtung
in einer bevorzugten Ausführungsform
im wesentlichen parallel zu den zueinander auszurichtenden Flächen der
Bauteile.
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Die
Elastizitätsrichtungen
der beiden Federelementen schließen in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
einen Winkel zwischen 50 und 130°,
vorzugsweise zwischen 70 und 110° und
besonders bevorzugt zwischen 85 und 95° ein. Grundsätzlich ist ein Winkel von etwa
90° am besten,
da dann jeweils ein Element in einer Richtung die notwendige Elastizität zur Verfügung stellt
und in der anderen Richtung die notwendige Stabilität zur Verfügung stellt.
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Bei
der Verwendung von im wesentlichen starren Verbindungselementen,
wie dies im Stand der Technik üblich
ist, üben
diese im übrigen
auf zumindest eines der Bauteile ein gewisses Biegemoment aus, wenn
sich eines der Bauteile relativ zu dem anderen verkürzt oder
verlängert.
Durch das Bereitstellen einer "weichen" Richtung durch das
Verbindungselement wird das auf die Bauteile ausgeübte Drehmoment
deutlich reduziert, was zu einer höheren Winkelgenauigkeit führt.
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Je
nach Form und Größe der Bauteile
kann es von Vorteil sein, mehr als zwei Federelemente mit entsprechend
anisotropen Federkonstanten zu verwenden. Bei der Verwendung von
drei Federelementen könnten
diese beispielsweise so angeordnet sein, daß jeweils zwei Elastizitätsrichtungen
einen Winkel zwischen 100 und 140° einschließen.
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Um
eine extrem genaue Positionierung eines ersten Bauteils gegenüber einem
zweiten Bauteil und eine entsprechende elastische Lagerung auch
bei Temperaturunterschieden mit hoher Positions- und Winkelgenauigkeit zu erzielen,
ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß vier Federelemente
vorgesehen sind, deren Federkonstante jeweils in zwei zueinander
senkrechten Raumrichtungen mindestens doppelt so groß ist wie
in der dritten, zu den beiden ersten Raumrichtungen senkrechten
Raumrichtungen, der sogenannten Elastizitätsrichtung, ist, wobei alle
Elastizitätsrichtungen
im wesentlichen in einer Ebene liegen. Insbesondere bei der Ausrichtung
von optischen Bauteilen zueinander weisen diese häufig zwei
zueinander auszurichtende Oberflächen
auf. Mit Vorteil sind die Federelemente so ausgerichtet, daß die von
den Elastizitätsrichtungen
aufgespannte Ebene parallel zur auszurichtenden Fläche des
Bauteils verläuft.
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Insbesondere
ist es von Vorteil, wenn zwei der vier Federelemente in etwa parallele
Elastizitätsrichtungen
aufweisen und die Federelemente der beiden anderen der vier Federelemente
ebenfalls in etwa parallele Elastizitätsrichtungen aufweisen, wobei
die Elastizitätsrichtungen
des ersten Paares von Federelementen mit den Elastizitätsrichtungen
des zweiten Paares von Federelementen einen Winkel zwischen 50 und
130°, vorzugsweise
zwischen 70 und 110° und
besonders bevorzugt zwischen 85 und 95° einschließen.
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Weiterhin
ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß mindestens
ein Paar Federelemente so angeordnet ist, daß deren Elastizitätsrichtungen
auf der gedachten Verbindungslinie zwischen den Angriffspunkten
der einzelnen Federelemente des Federelementpaares an einem der
Bauteile liegt.
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Das
Verbindungselement kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
integral mit einem der beiden Bauteile ausgebildet sein. Dies hat den
Vorteil, daß es
dann aufgrund von thermischen Schwankungen zu keinen Biegemomenten
kommt, da dann das Bauteil und das Verbindungselement den gleichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben.
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Das
Verbindungselement selbst kann einstückig oder mehrteilig ausgebildet
sein. Grundsätzlich können somit
alle Federelemente einstückig
ausgebildet sein. Das Verbindungselement kann stattdessen aber auch
aus verschiedenen getrennten Federelementen bestehen.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen,
daß das
erste Bauteil eine dem zweiten Bauteil zugewandte Oberfläche und
eine oder mehrere sich an die Oberfläche anschließende Kantenfläche bzw.
Kantenflächen
hat, wobei die Federelemente mit der Kantenfläche verbunden sind. Mit anderen
Worten greifen die Federelemente erfindungsgemäß nicht an der dem zweiten Bauteil
zugewandten Oberfläche
an, sondern stattdessen an die Kantenflächen. Dies hat insbesondere den
Vorteil, daß das
erste Bauteil gegenüber
dem zweiten Bauteil in einem ersten Schritt justiert werden kann
und dann die Federelemente an den außen liegenden Kantenflächen des
Bauteils befestigt werden können,
so daß der
für die
Befestigung verwendete Kleber oder der entsprechende Schweißpunkt nicht konstruktiv
zu der Bestimmung des Abstandes der beiden Bauteile beiträgt.
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Weiterhin
ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß das zweite
Bauteil eine dem ersten Bauteil zugewandte Oberfläche hat
und daß das
Verbindungselement mit der Oberfläche des zweiten Bauteils verbunden
ist. Mit anderen Worten steht das Verbindungselement auf der Oberfläche des
zweiten Bauteils. Dieses kann für
die Positionierung der beiden Bauteile zueinander zunächst auf
der Oberfläche
des zweiten Bauteils frei verschoben werden. Im nächsten Schritt
wird dann das Verbindungselement auf der Oberfläche des zweiten Bauteils fixiert.
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Das
Verbindungselement kann beispielsweise ein Ätzteil sein. Ätzteile
sind kostengünstig
mit recht hoher Präzision
herstellbar.
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Es
hat sich gezeigt, daß die
Federelemente zweckmäßigerweise
aus Metall sind, auch wenn andere Materialien prinzipiell einsetzbar
sind. Metall zeigt typische elastische Eigenschaften, die für die vorliegende
Erfindung besonders geeignet sind. Zweckmäßigerweise wird das Metall
derart ausgewählt,
daß es
in etwa das gleiche Ausdehnungsverhalten wie das zweite Bauteil
zeigt. Genauer gesagt ist es von Vorteil, wenn sich der Volumenausdehnungskoeffizient
der Federelemente bzw. des Verbindungselementes bei 25°C um nicht
mehr als 20%, vorzugsweise um nicht mehr als 10% und besonders bevorzugt
um nicht mehr als 5% von dem Volumenausdehnungskoeffizienten des
zweiten Bauteils abweicht.
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Weiterhin
sollte der Volumenausdehnungskoeffizient der Federelemente möglichst
klein, vorzugsweise kleiner als 0,02 und besonders bevorzugt kleiner
als 0,01 K–1 bei
25°C sein.
Dies gewährleisten,
daß sich
der Abstand der beiden Bauteile bei einer Temperaturänderung
nur wenig ändert.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Federelemente
aus einem Material hergestellt, dessen Elastizitätsmodul mindestens 1000 mal
größer, vorzugsweise
mindestens 2000 mal größer und
besonders bevorzugt mindestens 5000 mal größer als die maximale elastische Zugfestigkeit
ist.
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Es
hat sich gezeigt, daß die
Federkonstante in der „weichen" Richtung bzw. der
Elastizitätsrichtung
insbesondere für
optische Anwendungen kleiner als 40 N/mm, vorzugsweise kleiner als
25 N/mm und besonders bevorzugt kleiner als 15 N/mm ist.
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Auch
wenn prinzipiell alle verschiedenen Verbindungsarten zwischen Verbindungselement
einerseits und erstem oder zweitem Bauteil andererseits möglich sind,
so hat sich eine Verklebung oder Verschweißung, vorzugsweise eine Verklebung,
als besonders gut handhabbar erwiesen. Insbesondere stellen Verkleben
und Verschweißen
eine stufenlose Einstellbarkeit der Position der beiden Bauteile
zueinander zur Verfügung.
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Das
Verbindungselement besteht in einer ersten Ausführungsform aus einer im wesentlichen quadratischen
Grundfläche,
die mit der Oberfläche des
zweiten Bauteils verbunden ist, und vier dazu abgewinkelten zackenförmigen Federelementen,
die mit der Kantenfläche
des ersten Bauteils verbunden sind. Ein solches Verbindungselement
kann beispielsweise als Ätzteil
einstückig
aus Metall hergestellt werden, wobei die einzelnen zackenförmigen Federelemente
dann mit etwa 90° zu
der quadratischen Grundfläche
abgewinkelt werden. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die quadratische
Grundfläche eine
in etwa zentral angeordnete Ausnehmung aufweist, die gegebenenfalls
ebenfalls quadratisch ist. Selbstverständlich kann die Grundfläche sowie
die gegebenenfalls vorhandene Ausnehmung je nach Anwendungsfall
auch eine andere Form haben.
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Alternativ
dazu hat sich eine weitere Ausführungsform
eines Verbindungselementes bewährt,
bei dem dieses aus einem Stegrahmen und vier sich davon erstreckenden
zackenförmigen
Federelementen besteht. Der Stegrahmen wird hierbei auf die Oberfläche des
zweiten Bauteils gesetzt, während
die sich hiervon erstreckenden zackenförmigen Federelemente an die
Kantenfläche
des zweiten Bauteils angreifen.
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Es
ist besonders zweckmäßig, wenn
die zackenförmigen
Federelemente einen Kontaktabschnitt, der mit dem ersten Bauteil
in Kontakt tritt, und einen Abschnitt mit gegenüber dem Kontaktabschnitt verminderter
Dicke aufweisen. Dies verbessert die federnden Eigenschaften.
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Weiterhin
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines erfindungsgemäßen Aufbaus.
Die eingangs genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren nach einem
der Ansprüche
20 bis 24 gelöst.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einiger
bevorzugter Ausführungsformen.
Es zeigen:
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1 einen
beispielhaften Aufbau aus dem Stand der Technik vor der Verbindung
der beiden Bauteile,
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2 eine
schematische Darstellung eines Aufbaus des Standes der Technik,
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3 und 4 schematische
Darstellungen der Vorgänge
bei einer Temperaturveränderung bei
einem Aufbau gemäß der Erfindung,
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5 eine
Darstellung einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verbindungselementes,
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6 eine
zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Aufbaus,
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7 eine
dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Aufbaus,
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8 eine
vierte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Aufbaus,
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9 eine
fünfte
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Aufbaus,
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10 und 11 eine
sechste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Aufbaus
und
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12 und 13 eine
siebte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Aufbaus.
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In 1 ist
eine Explosionsansicht eines Aufbaus gemäß des Standes der Technik gezeigt.
Zu erkennen ist ein erstes Bauteil 1, ein zweites Bauteil 2 und
ein Verbindungselement 3. Das Verbindungselement 3 ist
hier einstückig
an dem ersten Bauteil 1 befestigt und besteht aus vier
Distanzfüßen, die
sich von dem Bauteil 1 aus in Richtung des Bauteils 2 erstrecken.
Um das Bauteil 1 relativ zu dem Bauteil 2 zu positionieren,
sind die Distanzfüße 3 derart
ausgebildet, daß sie
in etwa dem gewünschten
Abstand zwischen Bauteil 1 und Bauteil 2 entsprechen.
Um die beiden Bauteile 1, 2 exakt zueinander zu
positionieren und zu fixieren, wird in einem ersten Schritt das
Bauteil 1 gegenüber
dem Bauteil 2 derart ausgerichtet, daß Relativpositionen und die
Winkelausrichtung korrekt sind. In der Regel wird dann zumindest einer
der Distanzfüße 3 direkt
auf der Oberfläche
des zweiten Bauteils 2 aufsetzen. Dennoch wird aufgrund von
Bauteiltoleranzen bei einigen der Distanzfüße 3 ein kleiner Spalt
verbleiben. Zur Fixierung werden die Distanzfüße 3 auf der Oberseite
des Bauteils 2 festgeklebt. Dabei wird der verwendete Kleber
auch die verbliebenden Spaltabstände
füllen.
Im Endzustand wird somit der ausgehärtete Kleber konstruktiv verwendet,
da er den Abstand zwischen dem Bauteil 1 und dem Bauteil 2 mitbestimmt.
Die Distanzfüße haben
hier ein quadratisches Profil und sind im wesentlichen starr.
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Dies
wird besonders deutlich anhand von
2, die eine
Prinzipskizze der bislang verwendeten Verbindungselemente zeigt.
Hier ist deutlich zu erkennen, daß das Bauteil
1 mit
dem rechten Distanzfuß
3 auf
dem zweiten Bauteil
2 aufsitzt, während die exakte Positionierung
des ersten Bauteils
1 relativ zu dem zweiten Bauteil
2 einen
Spalt zwischen dem linken Distanzfuß
3 und dem zweiten
Bauteil
2 erforderlich macht. Zur Fixierung der beiden
Bauteile wird dann Klebstoff
8 verwendet und der Klebstoff
8 überbrückt dann
den Spalt zwischen dem linken Distanzfuß
3 und dem zweiten
Bauteil
2. Man erkennt sofort, daß für den Fall, daß beim Aushärten des
Klebstoffs
8 es zu einem Schrumpfen des Klebstoffanteils kommt,
dies möglicherweise
die vorher erzielte Positions- und Winkeljustage wieder verändert. Darüber hinaus
ist die in den
1 und
2 gezeigte
Verbindung, die im wesentlichen der in der
DE 100 43 985 beschriebenen entspricht,
relativ starr. Bei einer Temperaturveränderung kommt es daher zu Verspannungen
innerhalb der Bauteile, die um so größer werden, je unterschiedlicher
sich die Bauteile bei einer Temperaturveränderung ausdehnen. Insbesondere
bei optischen Aufbauten, die eine Winkelgenauigkeit von kleiner
als 0,5 mrad erfordern, ist die bekannte Verbindungstechnik nur
einsetzbar, wenn alle verwendeten Materialien einen gleichen Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen oder der Aufbau temperaturstabilisiert wird.
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In 3 ist
schematisch gezeigt, wie sich ein erfindungsgemäßer Aufbau bei einer Temperaturveränderung
verhält.
Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau
ist das erste Bauteil 1 über vier Federelemente (4, 5, 6, 7 – wobei
das vierte Federelement 5 in der 3 nicht
zu erkennen ist, da es hinter dem Federelement 6 liegt)
mit dem Bauteil 2 verbunden. Die beiden Federelemente 4 und 7 haben
eine Elastizitätsrichtung,
die in der 3 von links nach rechts verläuft. Die
beiden anderen Federelemente 5 und 6 haben hingegen
eine Elastizitätsrichtung,
die senkrecht auf der Bildebene steht.
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Es
wurde angenommen, daß das
erste Bauteil 1 einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat als das zweite Bauteil 2. Zur Verdeutlichung wurde
bei dem ersten Bauteil 1 eine sehr große thermische Ausdehnung und
bei dem zweiten Bauteil 2 keine thermische Ausdehnung angenommen.
Es versteht sich, daß der
Ausdehnungseffekt in der Praxis viel kleiner ist und mit bloßem Auge
nicht zu erkennen ist.
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In 3 ist
das erste Bauteil 1 einmal in der ursprünglichen Größe mit durchgezogener Linie,
einmal bei höherer
Temperatur mit gestrichelter Linie und einmal bei niedrigerer Temperatur
schraffiert und mit strichpunktierter Linie gezeigt. Da sich das
erste Bauteil 1 stärker
ausdehnt als das zweite Bauteil 2, führt dies zwangsläufig dazu,
daß sich
die Federelemente 4, 5, 6, 7 verbiegen,
wobei in der gezeigten Ansicht nur die Verbiegung der beiden Federelemente 4 und 7 zu
erkennen ist. Diese Verbiegung wird durch die zusätzlichen
gestrichelt dargestellten Federelemente schematisch dargestellt.
Da das erste Bauteil 1 mit Hilfe der Federelemente 6 und 5 in
Pfeilrichtung fixiert wird, kommt es zu keiner Veränderung der
Gesamtposition des ersten Bauteils 1 in Pfeilrichtung,
sondern das Bauteil 1 dehnt sich, ausgehend von dem Befestigungspunkt
der Federelemente 5, 6 an dem ersten Bauteil gleichmäßig nach
rechts und links aus (oder zieht sich zusammen). Dadurch ist sicher
gestellt, daß sich
das erste Bauteil 1 nicht gegenüber dem zweiten Bauteil 2 verkippt
und seine Position ziemlich exakt einhält.
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Wie
bereits ausgeführt
wurde, üben
die Verbindungselemente des Standes der Technik aufgrund ihrer sehr
starren Verbindung ein Biegemoment auf die Bauteile aus. Dies wird
durch die erfindungsgemäße Aufhängung verhindert,
wie schematisch in 4, die im wesentlichen der 3 entspricht,
besonders deutlich gezeigt.
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Erfindungsgemäß sind die
Federelemente in einer Raumrichtung sehr flexibel, während sie
in den beiden hierzu senkrechten Richtungen relativ starr sind.
Durch diese Maßnahme
kann eine Längenänderung
des ersten Bauteils 1 relativ zu dem zweiten Bauteil 2 durch
die flexiblen Federelemente 4, 5, 6, 7 aufgenommen
werden. Jegliche Verbiegung findet im wesentlichen innerhalb der
Federele mente 4, 5, 6, 7 und
nicht innerhalb eines der beiden Bauteile 1, 2 statt.
Durch das Vorsehen der Federelemente 5 und 6,
die in der "weichen" Richtung bzw. der
Elastizitätsrichtung
der Federelements 4, 7 recht starr sind, wird prinzipiell
eine Art Fixpunkt 19 festgelegt. Dieser Fixpunkt 19 bleibt
durch die relativ starre Verbindung in Pfeilrichtung mittels der
Federelemente 5, 6 konstant in der Position oberhalb
des zweiten Bauteils 2. Das erste Bauteil 1 dehnt
sich rechts und links von dem Fixpunkt 19 aus bzw. zieht
sich dort zusammen, ohne daß sich
der festgelegte Fixpunkt 19 ändert. Mit anderen Worten unterscheidet
sich u. a. die vorliegende Erfindung vom Stand der Technik dadurch,
daß durch die
trickreiche Aufhängung
nur ein Punkt des ersten Bauteils 1 in Bezug auf das zweite
Bauteil 2 fixiert wird, während im Stand der Technik
eine Fixierung über
mehrere Punkte erfolgte und damit bei Temperaturänderungen Spannungen auftraten.
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Dadurch
ist auch bei größeren Temperaturschwankungen
nur eine geringe Positionsabweichung und nahezu kein Winkelfehler
festzustellen. Versuche haben gezeigt, daß die Positionier- und Winkelgenauigkeit
durch die erfindungsgemäße Maßnahme enorm
verbessert werden kann.
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Zur
besseren Verdeutlichung ist in 5 eine erste
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Aufbaus
dargestellt. Zu erkennen ist das erste Bauteil 1, das zweite
Bauteil 2 und vier Federelemente 4, 5, 6, 7,
die die beiden Bauteile verbinden. Jedes dieser Federelemente 4, 5, 6, 7 ist
so ausgestaltet, daß es eine
elastische Verbiegung des Federelementes gegenüber dem ersten Bauteil 1 in
einer Richtung erlaubt, jedoch in den beiden hierzu senkrechten
Richtungen im wesentlichen verhindert.
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Man
betrachte zur Erläuterung
beispielsweise das in 5 vorne dargestellte laschenförmige Federelement 4.
Dieses Federelement erlaubt eine elastische Verbiegung derart, daß sich das
erste Bauteil 1 relativ zu dem zweiten Bauteil 2 nach
vorne und hinten leicht bewegen kann, während eine Bewegung nach rechts
oder links bzw. von oben nach unten im wesentlichen ausgeschlossen
wird. Mit anderen Worten erlauben die beiden Federelemente 4, 7 eine
Bewegung in Richtung der Linie 13, die parallel zu dem
zweiten Bauteil 2 erfolgt. Die beiden Federelemente 5, 6 erlauben
statt dessen eine gewisse Bewegung entlang der Linie 14,
während
Bewegungen in den anderen Richtungen im wesentlichen verhindert
werden. Dies führt
im wesentlichen in der Höhe des
Schnittpunktes der beiden Linien 13 und 14 zu
einem Fixpunkt (oder Pivotpunkt) 19, so daß das erste Bauteil 1 und
das zweite Bauteil 2 in Höhe dieses Fixpunktes auch bei
größeren Temperaturschwankungen
exakt übereinanderliegen.
Jegliche Längenausdehnungen
werden ausgehend von diesem Fixpunkt in Richtung der Achsen 13 und 14 abgetragen.
Man könnte
somit sagen, daß,
wenn sich das erste Bauteil 1 aufgrund eines gegenüber dem
zweiten Bauteil 2 erhöhten
Ausdehnungskoeffizienten ausdehnen würde, diese Ausdehnung ausgehend
von dem Fixpunkt 19, der bei dem Schnittpunkt der beiden
Linien 13, 14 liegt, in Richtung der Pfeile erfolgt.
Alle vier Federelemente 4, 5, 6, 7 verbiegen
sich daher etwas, wobei die beiden Bauteile 1, 2 im
wesentlichen exakt in der gleichen Winkelposition zueinander bleiben.
Die Federelemente 4, 5, 6, 7 greifen
möglichst
an den Außen-
bzw. Kantenflä chen
des ersten Bauteils 1 an. Grundsätzlich gilt, daß je weiter
auseinander die Angriffspunkte der Federelemente 4, 5, 6, 7 mit
gleicher (bzw. paralleler) Elastizitätsrichtung liegen, um so besser
ist die Winkelsteifigkeit des Aufbaus.
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Weiterhin
ist zu erkennen, daß die
Federelemente 4, 5, 6, 7 nicht
alle in der Mitte der von der Basisfläche 9 bereitgestellten
Seiten angeordnet sind, sondern die Federelemente 4, 7 etwas
nach außen (in
der 5 nach rechts) versetzt sind. Dies führt dazu,
daß der
Fixpunkt 19 nicht im Zentrum des ersten Bauteils 1 liegt.
Diese Maßnahme
kann von Vorteil sein, wenn an einem Bauteil optische Elemente, die
besonders empfindlich gegenüber
Positionsfehler sind, nicht im Zentrum des Bauteils liegen. Der
Fixpunkt wird mit Vorteil genau dorthin gelegt, wo die Elemente
mit der größten Empfindlichkeit
gegenüber einer
Fehlausrichtung positioniert sind.
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In 6 ist
eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Aufbaus
gezeigt. Die Abbildung zeigt unten eine Explosionsansicht und oben den
zusammengesetzten Aufbau. Der Aufbau besteht aus dem ersten Bauteil 1,
dem zweiten Bauteil 2 sowie einem Verbindungselement 3,
das hier zwei Federelemente 4, 5 aufweist. Das
Verbindungselement 3 sitzt auf der dem ersten Bauteil 1 zugewandten
Fläche
des zweiten Bauteils 2. Die Federelemente, die sich von
einer Art Steg aus erstrecken, treten mit den Kantenflächen des
ersten Bauteils 1 in Kontakt. Von zusätzlichem Vorteil ist hier,
daß das
Verbindungselement 3 flächig
auf dem zweiten Bauteil 2 aufsitzt. Jegliche Bauteiltoleranzen
werden durch die Positionierung des ersten Bauteils 1 in
Bezug auf die beiden Federelemente 4, 5 ausgeglichen.
Sobald das erste Bauteil 1 gegenüber dem Bauteil 2 positioniert
ist, wird das Verbindungselement 3 möglichst gleichzeitig sowohl
mit der Oberfläche
des zweiten Bauteils 2 als auch über die Federelemente 4, 5 mit den
Kantenflächen
des ersten Bauteils 1 verklebt. Dies gewährleistet
eine völlig
spannungsfreie Ruhelage. Bei diesem Aufbau wird der Klebstoff nicht
konstruktiv zur Bestimmung des Abstandes der beiden Bauteile zueinander
benutzt, d.h. er dient nicht zum Auffüllen von justierbedingten Spalten
zwischen Verbindungselement 3 einerseits und einem der
beiden Bauteile 1, 2 andererseits. Daher ist es
wesentlich, daß die
Federelemente 4, 5 an den Außen- bzw. Kantenflächen eines
Bauteils, nämlich
hier des ersten Bauteils 1, angreifen. Das erste Federelement 4 ist so
ausgestaltet, daß es,
wie in 6 oben angedeutet ist, in Richtung des Doppelpfeils
eine hohe Elastizität
aufweist, die viel größer ist
als die Elastizität
in den hierzu senkrechten Richtungen. In gleicher Weise zeigt auch
das Federelement 5 ein entsprechend anisotropes Verhalten,
wobei die weichen Achsen, die sogenannten Elastizitätsrichtungen,
nicht parallel verlaufen, sondern im vorliegenden Fall einen Winkel von
etwa 90° einschließen. Diese
Art der Verbindung der beiden Bauteile ermöglicht es, daß der optische Aufbau
größeren Temperaturschwankungen
ausgesetzt sein kann, ohne daß es
zu einer Dejustierung der beiden Bauteile zueinander kommt.
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7 zeigt
eine dritte Ausführungsform,
bei der das Verbindungselement 3 insgesamt drei Federelemente 4, 5, 6 aufweist.
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8 zeigt
eine vierte Ausführungsform,
bei der das Verbindungselement rund ausgebildet ist und insgesamt
vier Federelemente 4, 5, 6, 7 aufweist. Prinzipiell
kann das Verbindungselement 3 jegliche beliebige Form einnehmen,
die mit Vorteil an die Kantenflächen
des über
dem zweiten Bauteil 2 zu positionierenden ersten Bauteils 1 angepaßt ist.
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Ein
anderes Beispiel zeigt 9, die im wesentlichen den Ausführungsformen
der 7 und 6 entspricht, wobei auch hier
vier Federelemente 4, 5, 6, 7 vorgesehen
sind.
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10 zeigt
schließlich
eine spezielle Ausführungsform
eines Verbindungselementes 3. Das Verbindungselement 3 ist
hier als Ätzteil
ausgebildet und ist aus Metall hergestellt. Das Verbindungselement 3 weist
eine im wesentlichen quadratische Grundfläche 9 auf, die quadratische
Grundfläche 9 weist
eine ebenfalls quadratische Aussparung 10 auf. Vier Federelemente 4, 5, 6, 7 sind
mit der quadratischen Grundfläche 9 verbunden.
Die Federelemente 4, 5, 6, 7 sind
jeweils laschen- bzw. zapfenförmig
und weisen einen Kontaktabschnitt 11 und einen besonders
flexiblen Abschnitt 12 mit einer gegenüber dem Kontaktabschnitt 11 reduzierten
Dicke auf. Wie in 10 oben zu erkennen ist, werden
die vier Federelemente 4, 5, 6, 7 nach
der Herstellung im Ätzverfahren
einfach nach oben gebogen, so daß die Federelemente 4, 5, 6, 7 mit
der Grundfläche 9 einen im
wesentlichen rechten Winkel einschließen. In der 11 ist
eine Explosionsansicht in einer perspektivischen Ansicht des zusammengesetzten
Aufbaus zu erkennen, wie die einzelnen Teile miteinander verbunden
werden. Diese Ausführungsform
des Verbindungselementes 3 hat den Vorteil, daß aufgrund
der großen
Grundfläche 9 das
Verbindungselement 3 sicher an der Oberfläche des
zweiten Bauteils 2 fixiert werden kann. Es hat jedoch den
Nachteil, daß aufgrund
des Umbiegens der Federelemente 4, 5, 6, 7 relativ
zu der Grundfläche 9 an
der Biegelinie 20 die Federelemente 4, 5, 6, 7 relativ
weich werden, so daß sie
Federelemente einer Bewegung des ersten Bauteils 1 auf
das zweite Bauteil 2 zu oder von diesem weg nicht vollständig verhindern
können.
Man erkennt in 11 oben, daß die Federelemente 4, 5, 6, 7 jeweils
mit ihrer Kontaktfläche 11 an
der Kantenfläche
des ersten Bauteils 1 anliegen. Durch dieses Verbindungselement
kann nahezu der gesamte Abstand zwischen den beiden Bauteilen 1 und 2 für die Federelemente 4, 5, 6, 7 verwendet
werden, da die Grundfläche 9 sehr
flach baut.
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In 12 ist
eine weitere Ausführungsform eines
erfinderischen Verbindungselementes 3 gezeigt. Dieses Verbindungselement 3 besteht
aus einem Steg 15 und vier sich hiervon erstreckenden Federelementen 4, 5, 6, 7,
die jeweils wieder einen Kontaktabschnitt 11 und einen
sich daran anschließenden
Abschnitt mit gegenüber
dem Kontaktabschnitt 11 reduzierter Dicke haben. Der Steg 15 weist
Sollbiegestellen 16 sowie einen Verschlußbiegemechanismus 17, 18 auf,
so daß der
in 12 unten gezeigte Steg an den Sollbiegestellen 16 zu
einem Rechteck bzw. einem Quadrat gebogen werden kann, wie dies
in 12 oben dargestellt ist. 13 zeigt
in einer perspektivi schen Ansicht sowie in einer Explosionsansicht,
wie diese Ausführungsform
des Verbindungselementes 3 zur Positionierung und Fixierung
von zwei Bauteilen verwendet wird. Das in den 12 und 13 gezeigte
Verbindungselement hat gegenüber
dem in den 10 und 11 gezeigten
Verbindungselement den Vorteil, daß die Federelemente 4, 5, 6, 7 in
senkrechter Richtung, d.h. bei einer Bewegung des ersten Bauteils 1 auf das
zweite Bauteil 2 zu oder von diesem hinweg, starr ist.
Es hat stattdessen aber eine geringere Auflagefläche auf der Oberfläche des
zweiten Bauteils 2. Die Auflagefläche des Stegs 15 auf
der Oberfläche des
Bauteils 2 kann noch weiter verringert werden, wenn der
Steg Ausnehmungen 21 aufweist. Grundsätzlich könnte der Steg 15 auch
so ausgebildet sein, daß er
im wesentlichen nur an 3 Punkten auf der Oberfläche des zweiten Bauteils aufsitzt.
Die kleinere Auflagefläche
hat den Vorteil, daß das
Verbindungselement eine bessere Auflageposition hat.
-
Durch
den erfindungsgemäßen Aufbau
ist mit einfachen Mitteln eine deutlich vereinfacht ausgerichtete
Fixierung zweier Bauteile zueinander möglich geworden. Die Bauteile
können
zueinander in allen 6 Freiheitsgraden (3 translatorische und 3 rotatorische)
ausgerichtet werden. Die vorgeschlagene elastische Aufhängung hat
zudem den Vorteil, daß sie
auch bei größeren Temperaturschwankungen, insbesondere
dann, wenn die beiden zueinander ausgerichteten Bauteile unterschiedliche
Ausdehnungskoeffizienten haben, eine sehr hohe Positions- und Winkelgenauigkeit
zur Verfügung
stellt.
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- 1
- erstes
Bauteil
- 2
- zweites
Bauteil
- 3
- Verbindungselement
- 4
- Federelement
- 5
- Federelement
- 6
- Federelement
- 7
- Federelement
- 8
- Klebstoff
- 9
- quadratische
Grundfläche
- 10
- quadratische
Aussparung
- 11
- Kontaktabschnitt
- 12
- flexibler
Abschnitt
- 13,
14
- Linien
- 15
- Steg
- 16
- Sollbiegestellen
- 17
- Verschlußmechanismus
- 18
- Verschlußmechanismus
- 19
- Fixpunkt
(Pivotpunkt)
- 20
- Biegelinie
- 21
- Ausnehmung