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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden
von Platten sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte optische
Baugruppe, insbesondere auf deren dauerhafte und präzise Justierung.
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Die
stoffschlüssige
Verbindung einer optischen Baugruppe mit einer Montageplatte erfolgt nach
dem Stand der Technik, indem auf die Verbindungsflächen dünn Kleber
aufgetragen wird und anschließend
die Flächen
aufeinandergepresst werden, bis der Kleber ausgehärtet ist.
Diese Klebeverbindung wird beim Hersteller hergestellt, bevor die
optische Baugruppe an den Kunden geliefert wird. Die Justage des
Aufbaus erfolgt dann beim Kunden. Die Justierung wird hierbei durch
Feinstellelemente vorgenommen, die Bestandteil der Baugruppe sind
und dem Kunden mitgeliefert werden müssen. Diese zum Gerät gehörenden Elemente
verursa chen erhebliche Mehrkosten.
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1 zeigt
beispielhaft eine optische Baugruppe nach dem Stand der Technik.
Hier ist auf einer Montageplatte 11 über ein Trägersystem 13, 16, 17 und
eine Justagevorrichtung 14 ein optischer Aufbau 15 montiert.
Das Trägersystem
besteht hierbei aus zwei mit einander zugewandten Flächen benachbarten
Platten 13 und 17, welche über ein Verbindungselement 16 miteinander
verbunden sind. Auf der der Montageplatte 11 abgewandten
Teilplatte 13 des Trägersystems
befindet sich eine Justagevorrichtung 14 auf welcher der
optische Aufbau 15 montiert ist. Bei der Herstellung dieser
Baugruppe erfolgt die stoffschlüssige
Verbindung zwischen der Montageplatte 11 und dem Trägersystem
dadurch, dass auf die Verbindungsflächen zwischen der Teilplatte 17 und
der Montageplatte 11 Kleber 12a, 12b dünn aufgetragen
wird. Hierbei entsteht normalerweise zwischen der Montageplatte 11 und
der der Montageplatte zugewandten Teilplatte 17 des Trägersystems ein
keilförmiger
Spalt von etwa 0,5 mm Breite. Beim Aushärten des Klebers schrumpft
dieser je nach Art des Klebstoffs um ungefähr 2 bis 8 %, wodurch die optische
Baugruppe dejustiert wird. Da diese Schrumpfung während der
Herstellung auch durch festes Einspannen der zu verbindenden Teile
in der Justiervorrichtung nicht vermieden werden kann, muss die
optische Baugruppe nach dem Aushärten des
Klebers neu justiert werden. Diese Justage findet beim Kunden mit
Hilfe der Justagevorrichtung 14 sowie durch Anpassung des
Trägersystems 13, 16, 17 statt.
Diese Vorrichtungen zum Justieren 14 sind fester Bestandteil
der fertigen Baugruppe.
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Die
Kosten eines solchen optischen Aufbaus ließen sich erheblich vermindern,
wenn die Baugruppe bereits beim Hersteller vollständig aufgebaut
und exakt justiert werden könnte.
Es wäre
dann nicht mehr nötig,
dass dem Kunden die aufwendige Justagevorrichtung mitgeliefert wird.
Aus dem Stand der Technik sind bereits einige Versuche bekannt,
eine optische Baugruppe so aufzubauen, dass sie ihre Feinjustierung
beim Schrumpfen des Klebers erhält. In
der
DE 102 28 053 wird
z.B. vorgeschlagen, die Auswirkungen der Kleberschrumpfung dadurch
zu vermeiden, dass in keilförmige
Nuten zwischen den zu verbindenden Teilen Hilfselemente eingelegt
werden, die unter ihrem Eigengewicht in die richtige Position rollen
und ihre Lage dort auch beim Schrumpfen des Klebers behalten sollen.
Hierzu sind jedoch schräge
Anlageflächen
in den zu verbindenden Bauteilen notwendig. Der technische Aufwand
zur Realisierung schräger
Anlageflächen
ist erheblich.
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In
der Zeitschrift Photonik 2/2005, S. 74 bis 75, wird eine „Klebetechnologie
zur Montage mikrooptischer Komponenten" beschrieben. Hier soll eine Glasfaser
auf 0,2 μm
genau vor einem Diodenlaser auf einem Chip justiert und durch Kleben
befestigt werden. Das Schrumpfen des Klebers soll durch eine gezielte
Fehljustierung der Glasfaser vor dem Klebevorgang kompensiert werden.
Eine solche Technik setzt jedoch voraus, dass der Schrumpfvorgang
des Klebers genau bekannt und reproduzierbar ist. Sowohl die Kleberdosierung
als auch die Kleberpositionierung, die Klebereigenschaften und die
Kleberaushärtung
müssen
exakt steuerbar sein. Dies ist normalerweise nur für spezielle
Anwendungen möglich.
Im allgemeinen ist dieses Verfahren nicht anwendbar, weil die in
die Kleberschrumpfung eingehenden Parameter nicht ausreichend oder
nur mit hohem Aufwand reproduzierbar sind.
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Die
Patente
US 6,256,118 und
DE 197 55 483 zeigen, wie
die Kleberschrumpfung genutzt werden kann, um zwei aneinanderliegende
Teile fest miteinander zu verbinden. Wegen der Schrumpfung des Klebers
ist das Verfahren jedoch nicht geeignet, justierte Baugruppen mit
Spalt auf einer Montageplatte zu befestigen.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Kompensation
von Temperaturausdehnungsunterschieden verschiedener in einer Baugruppe
verwendeter Materialien. Werden Materialien mit unterschiedlichen
Temperaturausdehnungskoeffizienten miteinander verklebt, so besteht
die Gefahr, dass die Verbindungen bei Temperaturänderungen infolge der unterschiedlichen
Ausdehnung der verbundenen Materialien zerstört werden könnten. Auch können Bimetalleffekte
zur Dejustage der optischen Baugruppe führen. Nach dem Stand der Technik
werden zur Vermeidung dieses Problems möglichst Materialien mit gleichem
Temperaturausdehnungsverhalten verwendet oder Kontaktflächen zwischen
den verbundenen Teilen mit möglichst
kleinen Abmessungen hergestellt. Auch werden die Klebestellen über einen
möglichst
kleinen Bereich verteilt. Eine generelle Lösung dieses Problems ist nicht
bekannt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Teile einer optischen
Baugruppe so miteinander zu verbinden und zu justieren, dass die
Justierung auch nach der Schrumpfung des Klebers erhalten bleibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, Teile einer
optischen Baugruppe so miteinander zu verbinden, dass sie ihre Justierung
zueinander auch dann beibehalten, wenn die Teile unterschiedliche
thermische Ausdehnungen aufweisen und nach dem Kleben beim Transport
oder beim Gebrauch Temperaturen im Be reich von –40 °C bis +70 °C ausgesetzt sind.
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Die
Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1, durch das Verfahren
nach Anspruch 46, durch die optische Baugruppe nach Anspruch 69
sowie durch die Verwendungsansprüche
92 und 93 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen optischen
Baugruppe finden sich in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
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Das
Wesen der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Klebstoff möglichst
dünn aufgetragen
und so angeordnet wird, dass der Verzug der einzelnen Klebestellen
sich gegenseitig aufhebt. Hierzu werden die Teile nicht direkt miteinander
verklebt, sondern es werden Hilfselemente verwandt, die jeweils
mit beiden zu verbindenden Teilen stoffschlüssige Verbindungen aufweisen.
Die zu verbindenden Teile weisen hierbei im Normalfall keine direkte
stoffschlüssige
Verbindung auf.
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Die
Hilfselemente zum Verbinden der Teile, beispielsweise zweier Platten,
werden hierzu in Bohrungen in der einen und/oder der anderen zu
verbindenden Platte untergebracht. Hierbei ist jedem Hilfselement
eine Bohrung in der einen oder anderen Platte zugeordnet, in welcher
es untergebracht ist. Die Verbindung der Platten erfolgt dann dadurch, dass
das Hilfselement einerseits mit den Wänden jener Bohrung verklebt
wird, in welcher es untergebracht ist, und andererseits das Hilfselement
mit der anderen Platte, in welcher es nicht untergebracht ist, an
deren Oberfläche
verklebt wird. Die Hilfselemente, welche z.B. Kugeln oder Zylinder
sein können, wirken
also als Überbrückung zwischen
den beiden zu verbindenden Platten. Im Falle einer optischen Baugruppe
wird die eine Platte normalerweise eine Montageplatte sein und die
andere Platte eine Trägerplatte.
Für die
Platten sollten Materialien mit niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
verwendet werden. Geeignet ist zum Beispiel das Floatglas „Borofloat" von Schott. Im folgenden
soll das Verfahren beispielhaft für die Verbindung einer Montageplatte
mit einer solchen Trägerplatte,
auf welcher ein optischer Aufbau montiert sein kann, erläutert werden.
Das beschriebene Verfahren ist aber zur Verbindung beliebiger Teile
oder Platten miteinander anwendbar.
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Möchte man
zwei Platten nach dem vorliegenden Verfahren verbinden, so werden
die beiden Platten zunächst,
vorteilhafterweise mit einer Justageeinrichtung, einem Montageroboter
oder Hexapod, fest verbunden. Es kann aber eine Platte auch liegend
angeordnet werden, wobei dann die andere Platte von einer Justiervorrichtung
geführt
wird. Weist die eine Platte als Trägerplatte eines optischen Aufbaus
optische Bauteile auf, so kann die Führung dieser Platte mittels
des Greifers einer Justagevorrichtung, eines Montageroboters oder
Hexapods erfolgen, welcher an einem oder mehreren der optischen Bauteile
angreift. Da die optischen Bauteile mit der Trägerplatte fest verbunden sind,
kann auf diese Weise auch die Lage der Trägerplatte relativ zur anderen Platte,
mit der sie verbunden werden soll, eingestellt werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zunächst
die Montageplatte so gelegt, dass die Gravitationskraft in Richtung
ihrer Plattenoberfläche
wirkt. Es wird dann die Trägerplatte
mit dem optischen Aufbau, beispielsweise mittels einer Justiervorrichtung,
in die gewünschte
Lage gegenüber
der Montageplatte gebracht. Hierbei wird nor malerweise die optische
Achse des optischen Bauteils entsprechend der optischen Achse benachbarter
Bauteile ausgerichtet. Im Allgemeinen wird dann also die Trägerplatte
so neben der Montageplatte liegen, dass ihre Plattenfläche der
Montageplatte zugewandt ist. Die beiden Platten müssen nicht
notwendigerweise parallel und aufeinander liegen, ihr Winkel und
Abstand zueinander bestimmt sich vielmehr durch die Erfordernisse
der Justierung. Im Normalfall wird der sich ausbildende Spalt zwischen
der Trägerplatte
der optischen Baugruppe und der Montageplatte kleiner als 0,5 mm
sein.
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Die
Montageplatte und die Trägerplatte
bilden dann also einen spitzen Winkel.
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Die
Trägerplatte
weist für
das erfindungsgemäße Verfahren
Bohrungen auf, in welchen Hilfselemente untergebracht werden können. Die
Bohrungen stehen vorteilhafterweise senkrecht oder annähern senkrecht
zur Ebene der Montageplatte. Besonders günstig ist die Verwendung von
mindestens drei Bohrungen. In der vorliegenden Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
werden diese Hilfselemente nach erfolgter Justage der beiden Platten
zueinander in diese Bohrungen so eingelegt, dass sie unter ihrem
Eigengewicht auf der unteren Platte, in diesem Falle der Montageplatte,
aufliegen. Die Hilfselemente werden vorzugsweise so gewählt, dass
sie die Bohrung auf dem größten Teil
ihrer Querschnittsfläche
auffüllen
und eine ausreichende Gewichtskraft aufbringen. Werden beispielsweise Hilfselemente
mit einem Durchmesser von 5 mm verwendet, würde der Durchmesser der Bohrung
vorteilhafterweise 0,01 mm bis 0,02 mm größer gewählt, so dass zwischen dem Hilfselement
und der Wandung der Bohrung ein schmaler Spalt von 10 bis 20 μm entsteht.
Kugelförmige
Hilfselemente können
beispielsweise Durchmesser von 3 mm bis 10 mm haben. Der entstehende
Spalt kann auch 0,02 mm bis 0,1 mm breit sein.
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Vorzugsweise
haben die Bohrung und das Hilfselement, welches in der Bohrung untergebracht ist,
in ihrem Querschnitt die gleiche Form. Hierdurch wird das Hilfselement
von der Bohrung geführt,
wenn es in sie eingelegt wird. Das Hilfselement hat dann zu allen
Seiten den gleichen Abstand zur Wandung der Bohrung.
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Vor
oder nach dem Einführen
des Hilfselementes in die Bohrung wird Klebstoff an jenen Stellen des
Hilfselementes und/oder der Bohrung untergebracht, an welchen das
Hilfselement nach dem Einführen
an der Bohrung anliegt. Ferner wird Klebstoff so auf dem Hilfselement
und/oder der Montageplatte untergebracht, dass das Hilfselement,
nachdem es in der Bohrung untergebracht worden ist, mit der Montageplatte über eine
Klebstoffschicht verbunden ist.
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Die
Klebestellen zwischen dem Hilfselement und der Wand der Bohrung
befinden sich vorteilhafterweise also in einer Richtung senkrecht
oder nahezu senkrecht zur Achse der Bohrung, während die Klebestelle zwischen
Hilfselement und Montageplatte in Richtung der Bohrungsachse liegt.
Orientiert an der Bohrungsachse stehen die Klebestellen also senkrecht
zueinander.
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Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren werden
also die Montageplatte und die Trägerplatte über Hilfselemente miteinander
verbunden, wobei das Hilfselement mit der Montageplatte und mit
der Trägerplatte über Klebstoffschichten
verbunden ist. Nicht auf allen Verbindungsstellen der Hilfselemente mit
den Platten müssen
Klebstoffschichten untergebracht sein. Es ist durchaus auch denkbar,
dass das Hilfselement die Platten an einigen Stellen direkt berührt, insbesondere
auch, um von der Bohrung geführt
zu werden. Es kann dann Klebstoff auch die Berührungsfläche umgebend zwischen der Platte
und dem Hilfselement eingebracht werden. Der Einfluss der Kleberschrumpfung
auf die Justierung sollte vorteilhafterweise kleiner als 1 μm bleiben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
in allen beschriebenen Varianten ist mit vielen verschiedenen Arten
von Klebstoff durchführbar.
Möglich
ist z.B. die Verwendung von Sekundenkleber (Cyanacrylat), aber auch
UV-härtender
Kleber, dessen Aushärtung vorteilhafterweise
etwa 1 Minute dauert, eignet sich zur Verbindung der Teile. Wird
UV-Kleber verwendet, so werden vorteilhafterweise Platten und/oder
Hilfselemente verwendet, welche für ultraviolettes Licht durchlässig sind.
Besonders geeignet als Material für Hilfselemente ist in diesem
Fall z.B. Saphir. Wird ein Hilfselement aus UV-durchlässigem Material
verwendet, so kann der Klebstoff ausgehärtet werden, indem UV-Licht
von der der Montageplatte abgewandten Seite der Trägerplatte
durch die Bohrung und durch das UV-durchlässige Hilfselement auf die
Klebstoffschichten gestrahlt wird. Auch die Montageplatte oder die
Trägerplatte
können
UV-durchlässig
gestaltet sein. In diesem Fall kann in der Bohrung z.B. ein UV-undurchlässiges Hilfselement
angeordnet werden. Der Klebstoff würde dann durch die UV-durchlässige Platte
hindurch mit ultraviolettem Licht beschienen. Als UV-transparentes Material
für den
Bau von Platten kommt z.B. Borofloat in Frage. Borofloat hat zudem
als Material für
die Platten den Vorteil, dass es mit α = 3,3·10–6 K–1 eine
sehr geringe Temperaturausdehnung hat, wodurch die Dejustierungen der
optischen Baugruppe durch Temperaturänderungen von vornherein gering
sind.
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Vorteilhafterweise
erfolgt die Aushärtung
des Klebers durch Licht von etwa 400 nm Wellenlänge.
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Der
zum Verkleben verwendete Kleber sollte möglichst dünnflüssig sein, um Klebewülste um
die Klebestelle zu vermeiden, die bei ihrer Schrumpfung zu horizontalen
und vertikalen Verschiebungen der Hilfskugeln und damit zur Dejustierung
der optischen Baugruppe führen
könnten.
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Erfindungsgemäß kann auch
die Montageplatte mit Bohrungen versehen sein, in welche die Hilfselemente
eingeführt
werden. In diesem Fall könnte
die Montageplatte auf einer Halterung abgelegt werden. Die Trägerplatte
würde dann,
z.B. mittels des Greifers und einer Justiervorrichtung, von unten
neben der Montageplatte angeordnet und justiert. Die Hilfselemente
lägen dann
unter ihrem Eigengewicht an der der Montageplattenunterseite zugewandten
Fläche
der Trägerplatte
an. Darüberhinaus
gilt das oben Gesagte.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können in
der Bohrung ein oder mehrere Klebestege untergebracht sein, welche
auf einem begrenzten Bereich den Abstand zwischen der Bohrung und
dem Hilfselement verringern. Der Klebstoff wird dann zwischen dem
Hilfselement und dem Klebesteg angeordnet. Der Klebesteg kann beispielsweise
als kleines Plateau in der Wand der Bohrung ausgebildet sein. Durch
einen Klebesteg kann vermieden werden, dass überschüssiger Kleber zur Verlagerung
des Hilfselements beim Aushärten
führt.
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Erfindungsgemäß können Hilfselemente
mit verschiedenen Formen verwendet werden. Hat das Hilfselement
beispielsweise die Form einer Kugel, so ergibt sich zur Wand der
Bohrung eine ringförmige Kontaktstelle.
Dort, wo die Kugel an die Fläche
einer Platte anliegt, ist die Kontaktstelle punktförmig. Wiederum
kann die Kugel die Wand der Bohrung und/oder die Platte ohne dazwischenliegenden
Abstand berühren,
es kann aber auch zwischen der Kugel und der Wand der Bohrung sowie
der Plattenfläche
ein kleiner Klebespalt ausgebildet sein, welcher Klebstoff aufweist.
In diesem Falle wäre
die Kugel gleichsam in den Klebstoff eingebettet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung haben ein oder mehrere
Hilfselemente die Form eines Zylinders. In diesem Fall fällt die
Achse des Zylinders mit der Achse der Bohrung zusammen. Vorteilhafterweise
ist jene Fläche
des Zylinders, an welche der Zylinder mit einer Plattenfläche verbunden ist,
leicht nach außen
gewölbt,
so dass der Kontakt zwischen dem Zylinder und der Plattenoberfläche ähnlich wie
bei der Kugel hergestellt wird. Wie auch im Fall der Kugel kann
bei einer solchen balligen Stirnfläche des Zylinders eine mehr
oder weniger große
Klebstoffschicht um den Berührpunkt
der abgerundeten Stirnfläche
mit der Plattenoberfläche
hergestellt werden. Die Verklebungsfläche des zylinderförmigen Hilfselementes
mit der Innenwandung der Bohrung muss nicht, wie bei der Kugel,
ringförmig sein,
sie kann vielmehr auch als Fläche
ausgebildet sein. Hierdurch kann eine Klebverbindung mit deutlich
höherer
Festigkeit als im Fall der Kugel erreicht werden.
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In
den bisher beschriebenen Ausführungen der
Erfindung lagen die Hilfselemente vor der Klebung unter ihrem Eigengewicht
lose. Vorteilhafterweise kann das Hilfselement aber auch aktiv gegen eine
oder mehrere Klebeflächen
gedrückt
werden. Zum Beispiel kann auf der der Montageplatte abgewandten
Seite des Hilfselementes eine Feder in die Bohrung der Trägerplatte
derart eingebracht werden, dass sie das Hilfselement auf die Montageplatte drückt. Vorteilhafterweise
wird die Feder von einem Element gehalten, welches UV-durchlässig ist,
also beispielsweise Borofloat aufweist. Besonders geeignet ist hierfür eine Platte,
auf welcher mehrere Federn so angeordnet werden können, dass
sie in einem Arbeitsgang in mehrere oder alle Bohrungen gedrückt werden
können.
Mit dem Anpressdruck ist der Klebespalt zwischen Hilfselement und
Platte variierbar. Hierbei kann auch Klebstoff mit höherer Viskosität eingesetzt
werden. Hierdurch entstünden
größere Klebespalte
als 0,02 mm.
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Damit
das Hilfselement nicht unter seinem Eigengewicht oder durch die
andrückende
Kraft aus der Bohrung fallen kann, können am Rand der Bohrung eine
oder mehrere Verliersicherungen untergebracht sein. Diese verengen
die Bohrung so, dass das Hilfselement nicht mehr durch die Öffnung passt.
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Das
Hilfselement kann auch auf andere Weise als durch eine Feder an
die Fläche
der ihm gegenüberliegenden
Platte angedrückt
werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird auf der der nicht die Bohrung aufweisenden Platte gegenüberliegenden
Seite der die Bohrung aufweisenden Platte ein Druckluftschlauch mit
einer dahinter liegenden Hilfsplatte angeordnet. Ist die Platte,
in welcher die Bohrung untergebracht ist, dünner als die Ausdehnung des
Hilfselementes in Richtung der Bohrung und ragt das Hilfselement
auf der der nicht die Bohrung aufweisenden Platte gegenüberliegenden
Seite aus der Platte hervor, so kann das Hilfselement durch Aufblasen
des Druckschlauches direkt gegen seine Klebstelle mit der anderen
Platte gedrückt
werden. Ist die Platte mit der Bohrung breiter als die Ausdehnung
des Hilfselementes in Richtung der Bohrung oder ist die zu verbindende
Platte von der Platte mit der Bohrung so weit entfernt, dass das
Hilfselement nicht mehr über den
Rand der Bohrung in Richtung des Druckschlauches hervorragt, so
kann auch ein Druckschlauch verwendet werden, welcher Löcher dort
aufweist, wo er über
einer Bohrung liegt. Auf diese Weise kann man Druckluft über den
Schlauch in die Bohrungen einleiten. Liegt das Hilfselement hinreichend
dicht an die Wandung der Bohrung an, so dass die Verbindungsstelle
ganz oder zumindest teilweise luftundurchlässig ist, so wird durch die
Druckluft eine Kraft gegen die Kugel ausgeübt. Die Abdichtung kann aber auch
durch die Viskosität
des Klebers und die zwischen Bohrungswand und Hilfselement wirkenden Kapillarkräfte eingestellt
werden. Diese Kraft drückt also
das Hilfselement gegen die zu verbindende Platte. Wird UV-härtender
Klebstoff verwendet, so sind die Hilfsplatte und der Druckschlauch
vorteilhafterweise UV-durchlässig,
so dass der Klebstoff ausgehärtet
werden kann, während
die Kraft gegen das Hilfselement wirkt. Wie im Fall der Feder ist über den Druck
die Breite des Klebespalts variierbar.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren
kann der Klebstoff mittels einer Dosiereinrichtung auf die zu verklebenden
Flächen
aufgetragen werden. Vorteilhafterweise können die Innenwandungen der
Bohrungen jedoch auch Ausbuchtungen aufweisen, in welche vor dem
Einführen
des Hilfselementes Klebstoff eingebracht wird. Auf diese Weise ist
es möglich,
dass das Hilfselement, während
es in die Bohrung eingeführt
wird, mit Klebstoff benetzt wird. Diese Klebstoffkammern können aber
auch so ausgebildet sein, dass zunächst kein Klebstoff mit dem
Hilfselement in Kontakt kommt und der Klebstoff erst dadurch freigesetzt
wird, dass die gesamte Anordnung so umgedreht wird, dass der Klebstoff
aus der Klebstoffkammer herausfließt. In Verbindung mit einem Andrücken des
Hilfselementes durch Druckluft ist es hierbei besonders vorteilhaft,
die Klebekammern so anzuordnen, dass die Menge des auf die Berührungsflächen aufgetragenen
Klebstoffs durch den Luftdruck der Druckluft gesteuert werden kann.
Hierzu kann ein Hilfselement verwendet werden, welches, wenn es
in die Bohrung eingeführt
wurde, einen schmalen Klebespalt freilässt, durch welchen der Klebstoff
von der Druckluft gedrückt
werden kann. Die genaue Bemessung der Druckluft und des Klebespaltes
hängt hierbei
von der Viskosität
des verwendeten Klebstoffes ab. Es sei bemerkt, dass bei Verwendung
eines Druckschlauches oder einer Feder das Hilfselement auch gegen
seine Gewichtskraft gegen die zu verbindende Platte gedrückt werden kann.
Die Klebekammern können
auch so eingerichtet sein, dass sie überschüssigen Klebstoff aufnehmen.
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Neben
kugelförmigen
und zylinderförmigen Hilfselementen
sind auch Hilfselemente denkbar, deren Querschnitt eine beliebige
andere Form hat. Der Querschnitt könnte z.B. elliptisch, rechteckig,
dreieckig, sternförmig
oder trapezförmig
sein.
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Besteht
wegen der Transparenz gegenüber UV-Licht
oder der geringen thermischen Ausdehnung die Montageplatte aus Borofloat
oder die mit ihr verklebte Trägerplatte
der optischen Baugruppe fertigungstechnisch bedingt aus Aluminium
so führen
die thermischen Ausdehnungsunterschiede zu mechanischen Spannungen
in der Klebeverbindung und zu Bimetalleffekten. Hierdurch können die
Klebeverbindungen zerstört
werden oder die opti sche Baugruppe dejustiert werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Aufbau daher Komponenten
zur Kompensation von Temperaturausdehnungsunterschieden auf. So
können
die Bohrungen beispielsweise Festkörpergelenke aufweisen, welche
in einer Richtung beweglich sind und in allen anderen Richtungen
steif. Vorteilhafterweise werden hierbei drei Festkörpergelenke
zusammen mit einem starren Stützpunkt
planar in einer der Platten verwendet. Der starre Stützpunkt
kann hierbei, wie oben beschrieben, ein in eine Bohrung eingebrachtes
Hilfselement sein und wird vorteilhafterweise in der Mitte der Trägerplatte
und/oder der Montageplatte untergebracht. Die Festkörpergelenke sind
ebenfalls in Bohrungen in der Trägerplatte und/oder
der Montageplatte untergebracht. Das Festkörpergelenk kann dann an einer
dritten Platte untergebracht sein, welche auf der der Montageplatte
abgewandten Seite der Trägerplatte
formschlüssig so
angeordnet wird, dass das Festkörpergelenk
in die Bohrung in der Trägerplatte
hineinragt. Die Verbindung zwischen den Festkörpergelenken und den zu verbindenden
Platten wird wiederum nicht direkt hergestellt, sondern über ein
Hilfselement nach den oben beschriebenen Prinzipien. Sollten die
Bohrungen in den Festkörpergelenken
für die
Hilfselemente nicht frei zugänglich
sein, weil sie z.B. abgedeckt sind, so können die Hilfselemente vor
der Montage und Justage der Platten in die Bohrungen eingefüllt und
durch Verliersicherungen gegen Herausfallen gesichert werden. Werden
in einer vorteilhaften Ausgestaltung drei Festkörpergelenke zusammen mit einem
starren Stützpunkt
verwendet, so werden die Bohrungen mit den Festkörpergelenken vorteilhafterweise
in einem Dreieck angeordnet, dessen Mitte der starre Stützpunkt
bildet. Die in einer Richtung flexiblen Festkörpergelenke werden dabei so
ausgerichtet, dass sie in Richtung des starren Stützpunktes
in der der Ebene der entsprechenden Platte beweglich sind, d.h.
dass sie in Richtung senkrecht zur Richtung der Bohrung, in welcher
sie untergebracht sind, beweglich sind.
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Eine
weitere Möglichkeit,
Spannungen durch thermische Ausdehnungsunterschiede zu kompensieren,
ist die Verwendung von starren Klebepunkten in Verbindung mit elastischen
Klebepunkten. Hierbei werden die starren Klebepunkte in einem geringen Abstand,
vorzugsweise weniger als 20 mm, voneinander angeordnet, während die
elastischen Klebepunkte einen größeren Abstand
voneinander aufweisen. Da die Ausdehnungsunterschiede zum Rand der
verbundenen Platten hin zunehmen, wird durch eine solche Anordnung
erreicht, dass die starren Klebepunkte dort zum Einsatz kommen,
wo die Spannungen gering sind, während
die elastischen Klebepunkte die zum Rand hin auftretenden größeren Spannungen
kompensieren können.
Besonders vorteilhaft ist in diesem Falle eine Anordnung von drei starren
und drei elastischen Stützpunkten,
wobei die drei starren Stützpunkte
ein Dreieck bilden, welches im Inneren des von den drei elastischen
Stützpunkten
gebildeten Dreiecks liegt. Die Mittelpunkte der beiden Dreiecke
fallen hierbei zusammen und die durch einen elastischen Stützpunkt
und den nächstliegenden
starren Stützpunkt
definierten Graden treffen sich für alle Klebepunkte in diesem
Mittelpunkt. Hierbei sollten alle starren und alle elastischen Klebepunkte
jeweils den gleichen Abstand vom Mittelpunkt haben. Vorteilhafterweise
sollte die Seitenlänge
des durch die starren Stützpunkte
gebildeten Dreiecks 20 mm nicht übersteigen,
weil sonst die Spannungen für
die meisten Klebstoffe zu groß werden.
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Seitenlängen kleiner
als 20 mm sind möglich, wenn
die Platen nicht zu groß oder
zu schwer sind. Andererseits können
die Seitenlängen
bei Temperaturschwankungen von weniger als ± 10 °C oder bei geringen Ausdehnungsunterschieden
zwischen den Platten bis zu 100 mm betragen.
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Vorteilhafterweise
weist die erfindungsgemäße optische
Baugruppe Vorrichtungen auf, die verhindern, dass die verbundenen
Platten sich dadurch verbiegen, dass sie sich bei Temperaturänderungen unterschiedlich
ausdehnen. Eine solche Vorrichtung kann z.B. eine Kompensationsplatte
sein, welche auf der der Trägerplatte
gegenüberliegenden
Seite der Montageplatte angeordnet ist und aus dem gleichen Material
besteht wie die Trägerplatte.
Die Kompensationsplatte wird hierbei zur Trägerplatte symmetrisch bezüglich der
Ebene der Montageplatte angeordnet. Die Kompensationsplatte weist
die gleichen Hilfselemente in Bohrungen an den gleichen Stellen
auf wie die Trägerplatte.
Da also Trägerplatte
und Kompensationsplatte aus dem gleichen Material bestehen und analog
aufgebaut sind, üben
sie auf die Montageplatte bei Temperaturänderung die gleichen Kräfte in entgegengesetzter
Richtung aus, so dass sich ihre Wirkungen kompensieren. Vorteilhafterweise
liegen die Hilfselemente in einer Platte hier nicht weiter voneinander
entfernt als beispielsweise 20 mm, damit die Klebeverbindungen bei
thermischen Ausdehnungen nicht zerstört werden. Als Materialien
für die Hilfselemente
kommen die gleichen infrage wie für jene Hilfselemente in der
Trägerplatte.
Vorteilhafterweise ist die Montageplatte dicker als die Trägerplatte
und die Kompensationsplatte.
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Eine
andere vorteilhafte Möglichkeit,
die auf die Klebestellen durch Temperaturausdehnung wirkenden Kräfte zu vermindern,
ist, eine Zwischenplatte zwischen der Trägerplatte und der Montageplatte unterzubringen.
Hierfür
wird die Zwischenplatte mit der Montageplatte über normale Klebestellen oder über Hilfselemente
im oben beschriebenen Sinne verbunden. Die Trägerplatte ist dann auf der
Zwischenplatte so angeordnet, wie sie in den oben beschriebenen
Beispielen auf der Montageplatte angeordnet war. Die Idee dieser
Anordnung ist es, den direkten Kontakt zweier Platten mit sehr unterschiedlichen
Temperaturausdehnungskoeffizienten zu vermeiden. Vorteilhafterweise
wird deshalb für
die Zwischenplatte ein Material verwendet, dessen Temperaturausdehnung
zwischen jener der Montageplatte und jener der Trägerplatte
liegt. In Frage kommen beispielsweise für die Montageplatte Borofloat
mit einem Temperaturausdehnungskoeffizienten von α = 3,3·10–6 K–1,
die Zwischenplatte kann Stahl mit einem Temperaturausdehnungskoeffizienten
von α = 11·10–6 K–1,
aufweisen und für
die Trägerplatte
kann Aluminium mit einem Temperaturausdehnungskoeffizienten von α = 23·10–6 K–1 verwendet
werden. Die Materialien können
auch in umgekehrter Reihenfolge verwendet werden.
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Bei
den bisher beschriebenen erfindungsgemäßen Varianten erfolgt die Klebung
zwischen der Baugruppe und der Montageplatte durch lose Hilfselemente,
deren Funktionsflächen
senkrecht aufeinander stehen. Durch die relativ kleinen punkt- oder
linienförmigen
Klebestellen zwischen den Hilfselementen und den Platten ist die
Festigkeit der Klebeverbindung nicht in jedem Fall höchsten Anforderungen,
wie z.B. bei Fallbeanspruchung, gewachsen. Im folgenden wird eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfinderischen Idee beschrieben,
welche schrumpfungsinvariant ist und gleichzeitig höchsten mechanischen
Beanspruchungen standhält.
Hierfür
werden die Hilfselemente auf einer der beiden zu verbindenden Platten
fest angeordnet. Die Platten werden dann mit einander zugewandten
Plattenflächen
so nebeneinander angeordnet, dass die fest montierten Hilfselemente
in Bohrungen in der anderen zu verbindenden Platte hineinragen,
so dass in der Bohrung um das Hilfselement ein relativ großer allseitiger
Justierspalt von z.B. 0,5 mm besteht, der im allgemeinen ungleichmäßig und
keilförmig
sein wird. Als Hilfselemente eignen sich beispielsweise Zylinder
von z.B. 10 mm Durchmesser. Die Bohrungen haben dann einen Durchmesser,
der z.B. 1 mm größer ist
als der Durchmesser des Hilfselements. Die Hilfselemente können in
der Platte verankert sein, oder auf sie aufgeklebt sein. Letzteres
ist insbesondere für
die Verwendung mit schwer zu verarbeitenden Materialien von Vorteil.
Die Idee des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht nun darin, dass die Klebung wie auch die Justage in zwei
Schritten durchgeführt
wird. Zunächst
werden die beiden miteinander zu verbindenden Platten grob zueinander
justiert und eine erste Vorklebung, vorteilhaft mit hochviskosem
UV-Kleber mit einer Schrumpfung von nur 2%, durchgeführt, anschließend wird
dann die Feinjustage vorgenommen und die beiden Platten endgültig miteinander
verklebt. Die Möglichkeit
einer Feinjustage nach dem groben Justieren und der Vorklebung wird
dadurch geschaffen, dass vor der Vorklebung eine Hülse, das Hilfselement
umgebend, in der Bohrung angeordnet wird. Nachdem der Klebstoff
der groben Vorklebung ausgehärtet
ist, wird diese Hülse
entfernt, wodurch ein schmaler Spalt in der Bohrung entsteht. Innerhalb dieses
Spaltes können
nun die Platten zueinander feinjustiert werden. Ist diese Feinjustage
erfolgt, wird der schmale Spalt mit Klebstoff, wie z.B. dünnflüssigem Sekundenkleber,
gefüllt,
welcher nach seinem Aushärten
die Position der zu verbindenden Platten zueinander endgültig fixiert.
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Für die Anordnung
der Hülse,
welche den Spalt für
die Feinklebung erzeugt, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zum einen kann
sie so angeordnet werden, dass sie das Hilfselement umlaufend an
dieses anliegt. Wird die Hülse
also nach dem Aushärten des
ersten Klebstoffs entfernt, so steht das Hilfselement zunächst nicht
mit Klebstoff in Berührung.
Andererseits kann die Hülse
(oder ein Schlauch) so in der Bohrung angeordnet werden, dass sie
das Hilfselement umfassend an der Wandung der Bohrung anliegt. Der
erste Klebstoff wird dann zwischen der Innenwandung der Hülse oder
des Schlauches und dem Hilfselement untergebracht. Wird der Abstandshalter
entfernt, entsteht der Feinjustierspalt angrenzend an die Wandung
der Bohrung. Vorteilhafterweise beträgt der Abstand zwischen dem
Hilfselement und der Wandung der Bohrung vor der Grobklebung z.B.
0,4 bis 0,5 mm, wobei das Hilfselement nicht an der Wandung der
Bohrung anliegt. Nach der Grobklebung sollte dann ein zunächst gleichmäßiger Klebespalt
von beispielsweise 0,1 mm bis 1 mm bleiben.
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Der
Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die Grobklebeschicht beim Aushärten in
ihre endgültige Position
schrumpfen kann und dass die dadurch entstehende Dejustierung durch
die anschließende Feinjustierung
ausgeglichen werden kann. Da der Feinklebespalt deutlich schmaler
ist als der ursprüngliche
Abstand zwischen der Wandung der Bohrung und dem Hilfselement und
in allen Richtungen gleich groß,
ist die Dejustierung der Baugruppe durch Schrumpfung des Klebers
der Feinklebung deutlich geringer. Wie im oben beschriebenen Verfahren
stehen auch hier die Funktionsflächen,
d.h. die Flächen der
Verklebung, senkrecht oder nahezu senkrecht zur die Bohrung aufweisenden
Plattenebene. Erfindungsgemäß kann die
Feinklebehülse
oder der Schlauch vor der ersten Klebung auch so eingebracht werden,
dass er an der Wand der Bohrung anliegt. Hierdurch tritt beim Schrumpfen
des ersten Klebers keine Dejustage auf, weil der Kleber sich in
diesem Fall von der Hülse
löst und
einen etwa 10 μm breiten
Spalt bildet.
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Die
erste und/oder zweite Klebung kann auch bei diesem Verfahren mit
Sekundenkleber und/oder UV-härtenden
Kleber und/oder kationischen UV-Klebstoffen durchgeführt werden.
Wird UV-Kleber verwendet, so sind die Hilfselemente und/oder die
Trägerplatte
und/oder die Montageplatte vorteilhafterweise aus einem UV-durchlässigen Material.
Auch hier kommt für
die Hilfselemente beispielsweise Saphir in Frage, während die
Platte zum Beispiel aus Borofloat gefertigt sein kann. Ist die Verwendung
eines UV-durchlässigen Materials
aus fertigungstechnischen Gründen
nicht möglich,
so können in
der Trägerplatte
und/oder der Montageplatte Öffnungen
untergebracht sein, durch welche hindurch das UV-Licht auf die Klebestellen
gestrahlt werden kann.
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Der
Abstandshalter, welcher in der Bohrung das Hilfselement umgebend
untergebracht wird, kann eine einfache Hülse oder ein Schlauch sein. Vorteilhafterweise
wird jedoch ein Material verwendet, welches sich nicht mit dem Klebstoff
verbindet. Auch kann die Hülse
oder der Schlauch an ihrer Oberfläche mit einer polymeren Anti-Haftschicht
beschichtet sein oder Antihaftmaterialien, wie z.B. Teflon, aufweisen.
Der Schlauch oder die Hülse
lassen sich dann weitgehend kräftefrei
aus der Bohrung entfernen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Abstandshalter eine doppelwandige
Manschette mit dünnen
Wänden
aus nicht-haftenden Materialien, wie z.B. po lymerbeschichteten Edelstahlfolien,
welche mit Druckluft aufgeblasen werden kann. Der Innen- und Außendurchmesser
der Manschette sollte durch die Druckluft vorteilhafterweise im
Bereich von 1/10-mm variierbar sein. Durch die Elastizität der Klebemanschette
in radialer Richtung kann hierbei erreicht werden, dass die Kleberschrumpfung
bei der Vorklebung zu keiner Dejustage der optischen Baugruppe führt. Hierzu
sollte die Festigkeit des Greifers und der Justagevorrichtung bedeutend
größer sein als
jene der Klebemanschette. Die Klebemanschette kann nach der groben
Vorklebung aus der Bohrung entfernt werden, indem die Druckluft
abgelassen wird. Als Abstandshalter für die Feinklebung kann vorteilhafterweise
auch eine Klebemanschette verwendet werden, welche einen inneren
und einen äußeren Folienring
mit einer dazwischenliegenden dünnen
Paraffinschicht aufweist. In diese Paraffinschicht ist ein Heizdraht
eingebettet, mit dem die Paraffinschicht nach der Vorklebung aufgeschmolzen
werden kann, so dass die Manschette aus der Bohrung entfernt werden
kann. Die Folienringe müssen
bei der Montage nicht unbedingt schon ringförmig geschlossen sein, sondern
sie können
günstigerweise auch
als Folienstreifen in die Bohrung selbstspannend und überlappend
eingelegt und auch wieder entfernt werden, wobei auf der Innenseite
des äußeren Folienstreifens
bereits vor seiner Montage die dünne
Paraffinschicht mit dem eingebetteten Heizdraht aufgetragen sein
soll. Die Folien können
dadurch selbstspannend sein, dass sie aufgrund ihrer Elastizität den ebenen
und gestreckten Zustand anstreben, den sie vor dem Einlegen in die
Bohrung aufwiesen. Die Folien haben hierfür eine Dicke von z.B. 0,1 mm
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Die
Paraffinschicht, die bei ca. 50 °C
schmilzt und die etwa 100 μm
dick sein soll, kann vor der Montage im flüssigen Zustand auf die Folie
aufgegossen werden. Für
die Folienringe kommt beispielsweise Edelstahl mit einer Dicke von
z.B. 20 μm
in Frage, dessen glatte Oberfläche
sich weder mit dem stark hydrophoben Paraffin noch mit dem Kunststoff
der Vorklebung verbindet. Für
den Heizdraht kann beispielsweise Konstantandraht von 10 µm bis 100 µm vorteilhafterweise
von 50 µm
Durchmesser verwendet werden.
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Der
Draht wird vor der Montage schleifenförmig in die flüssige Paraffinschicht
auf der Folie eingelegt. Der Wärmeeintrag
des Heizdrahts in den Fügespalt
während
des Schmelzvorgangs sollte so gering sein, dass die optische Baugruppe
durch die Erwärmung
nicht dejustiert wird. In Frage kommt z.B. eine Leistung von 1 W.
Vorteilhafterweise wird für
die erste grobe Vorklebung ein hochviskoser Kleber verwendet, während der
für die
Feinklebung verwendete Klebstoff dünnflüssig ist.
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Die
erfindungsgemäße Baugruppe
kann wie in einem der nachfolgenden Beispiele beschrieben ausgeführt sein
oder hergestellt werden. Gleiche oder ähnliche Bestandteile oder Bauteile
sind in den nachfolgend beschriebenen Figuren mit identischen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
eine optische Baugruppe nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt
eine optische Baugruppe deren Montageplatte und deren Trägerplatte über kugelförmige Hilfselemente
miteinander verbunden sind.
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3a zeigt
vergrößert ein
in einer Bohrung in der Trägerplatte
angeordnetes kugelförmi ges Hilfselement.
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3b zeigt
vergrößert ein
in einer Bohrung in der Montageplatte untergebrachtes zylinderförmiges Hilfselement
mit balliger Stirnfläche.
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4 zeigt
den Aufbau einer optischen Baugruppe, wobei die Bohrungen mit den
Hilfselementen in der Montageplatte untergebracht sind.
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5 zeigt,
wie ein Hilfselement durch eine an einer Hilfsplatte angeordnete
Feder gegen die Montageplatte gedrückt wird.
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6 zeigt
die Anordnung eines Druckschlauches, welcher ein Hilfselement durch
die Trägerplatte
hindurch gegen die Montageplatte drückt.
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7 zeigt
die Anordnung eines Druckschlauches, welcher ein Loch aufweist,
durch welches hindurch Druckluft das Hilfselement gegen eine Montageplatte
drückt.
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8 zeigt
den Aufbau einer optischen Baugruppe, welche Festkörpergelenke
aufweist.
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9 zeigt
eine vorteilhafte Anordnung von Festkörpergelenken in der Trägerplatte.
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10 zeigt
den Aufbau einer optischen Baugruppe mit einer Kombination von Verbindungen über Hilfselemente
und elastischen Klebepunkte.
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11 zeigt
eine vorteilhafte Anordnung von festen und elastischen Klebepunkten.
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12 zeigt
eine optische Baugruppe, welche eine Kompensationsplatte aufweist.
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13 zeigt
den Aufbau einer optischen Baugruppe mit einer zwischen einer Trägerplatte
und einer Montageplatte angeordneten Zwischenplatte.
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14 zeigt
den Aufbau einer optischen Baugruppe mit fest an der Trägerplatte
angeordneten Hilfselementen und um die Hilfselemente angeordnete
Hülsen
zur Erzeugung eines Feinklebespaltes.
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15 zeigt
den Aufbau einer optischen Baugruppe mit fest an der Trägerplatte
angeordneten Hilfselementen nachdem eine Grobklebung vorgenommen
wurde und die Hülse
zur Erzeugung eines Feinklebespaltes entfernt worden ist.
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16 zeigt
den Aufbau einer optischen Baugruppe mit fest an der Trägerplatte
angeordneten Hilfselementen, einer Grobklebung sowie einer Feinklebung
innerhalb der Bohrung.
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17 zeigt
das Ergebnis einer zweistufigen Klebung, wobei die Hülse zur
Erzeugung des Feinklebespaltes an der Wandung der Bohrung anlag.
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18 zeigt
den Aufbau einer optischen Baugruppe, wobei die zweistufige Klebung
in Bohrungen durchgeführt
wurde, welche in der Trägerplatte
untergebracht sind.
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19 zeigt
einen Ausschnitt um eine Bohrung, in welcher zur Erzeugung eines
Feinklebespaltes eine aufblasbare Manschette untergebracht ist.
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20 zeigt
einen Ausschnitt um eine Bohrung, in welcher zur Erzeugung eines
Feinklebespaltes eine Manschette mit zwei Folienschichten, eine dazwischenliegende
Paraffinschicht sowie eine Heizvorrichtung untergebracht sind.
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21 zeigt
die Verwendung einer Formgedächtnismanschette,
welche sich im gespannten Zustand befindet.
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22 zeigt
die Verwendung einer Formgedächtnismanschette,
welche sich im entspannten Zustand befindet.
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2 zeigt
den Schnitt durch eine erfindungsgemäße optische Baugruppe. Auf
einem Sockel 24 liegt hierbei eine Montageplatte 11 auf.
Die Fläche
dieser ebenen Platte 11 liegt dabei im wesentlichen parallel
zur Erdoberfläche.
Auf der dem Sockel 24 abgewandten Seite der Montageplatte 11 ist
eine Trägerplatte 22 angeordnet,
welche auf ihrer der Montageplatte 11 abgewandten Seite
ein optisches Bauelement 15 trägt, welches mit der Trägerplatte 22 fest
verbunden ist. Das optische Bauteil 15 wird hierbei von
einem Greifer 23 an seiner der Trägerplatte abgewandten Seite
gehal ten. Der Greifarm 23 kann mit einer in der Figur nicht
gezeigten Justiervorrichtung verbunden sein. Auf diese Weise ist
es möglich, die
Lage der Trägerplatte 22 und
der auf ihr angeordneten optischen Bauteile 15 mit Hilfe
des Greifarms 23 an der optischen Achse 28 auszurichten.
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Die
Trägerplatte 22 weist
senkrecht zu ihrer Fläche
stehende Bohrungen 25a und 25b auf, in welcher
Hilfselemente 21a und 21b untergebracht sind. Ein
drittes Hilfselement 21c ist außerhalb der Figurenebene ebenfalls
in einer Bohrung untergebracht, welche nicht gezeigt ist. Die Hilfselemente 21a, 21b, 21c sind
in ihrer Bohrung 25a, 25b über Klebestellen 27a und 27b bzw. 27c und 27d mit
der Wandung der Bohrung verklebt. Dort, wo die Hilfselemente 21a, 21b, 21c die
Trägerplatte 11 berühren, sind
Klebestellen 26a, 26b und 26c so untergebracht,
dass die Verbindungselemente 21a, 21b, 21c mit
der Montageplatte 11 fest verbunden sind. Die Hilfselemente 21a, 21b, 21c sind
so geformt, dass ihr Umriss, in Richtung der Bohrung 25a, 25b betrachtet,
parallel zur Wandung der Bohrung 25a, 25b verläuft. Wird also
das Hilfselement 21a, 21b, 21c von oben,
d.h. von der der Erdoberfläche
abgewandten Seite der Trägerplatte,
in die Trägerplatte
eingelegt, so wird das Hilfselement von der Bohrung 25 geführt und
ist in radialer Richtung nur wenig beweglich. Im gezeigten Aufbau
liegen die Trägerplatte 22 und
die Montageplatte 11 nicht exakt parallel. Die Unterseite
der Trägerplatte
ist zwar der Oberseite der Montageplatte zugewandt, die beiden Platten
bilden jedoch einen spitzen Winkel zueinander. Dadurch ergibt es
sich, dass das Hilfselement 21b tiefer in der ihm zugeordneten
Führung 25b liegt
als das Hilfselement 21a in der Öffnung 25a. Während die
Trägerplatte 22 die Montageplatte 11 an
keiner Stelle be rührt,
so liegen die beiden Platten bei der Bohrung 25a doch so
dicht zusammen, dass das Hilfselement 21a auf der der Montageplatte
abgewandten Seite aus der Bohrung der Trägerplatte 22 hervorragt.
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3a zeigt
einen Ausschnitt um die Bohrung 25a in der Trägerplatte 22.
Das kugelförmige Hilfselement 21a ist
hierbei über
Schichten von Klebstoff 27a und 27b mit den Wandungen
der Bohrung und über
eine Klebstofffläche 26a mit
der Montageplatte verbunden. Weisen die Klebeschichten UV-härtenden
Kleber auf, so werden zur Aushärtung des
Klebers die Klebepunkte 27a, 27b und 26a mit UV-Licht 31 beschienen.
Im hier gezeigten Fall weist das kugelförmige Hilfselement 21a ein
UV-durchlässiges
Material, wie z.B. Saphir, auf. Auf diese Weise kann der Klebstoff 27a, 27b und 26a durch
Bestrahlung mit UV-Licht von der der Montageplatte 11 abgewandten
Seite der Trägerplatte 22 ausgehärtet werden.
Es ist aber auch möglich,
die Montageplatte 11 UV-durchlässig zu gestalten, so dass
die Bestrahlung mit UV-Licht 31 von unten vorgenommen werden kann.
Als Material für
die Platte kommt z.B. Borofloat in Frage. Man beachte, dass die
Klebeflächen 27a und 27b in
Form einzelner Klebepunkte, einzelner Klebeflächen oder einzelner Klebelinien
ausgebildet sein können,
sie können
aber auch das Hilfselement 21a entlang seiner kompletten
Berührungsfläche zur Wandung
der Führung 25a umlaufen.
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3b zeigt
den gleichen Ausschnitt aus einer optischen Baugruppe wie 3a.
Im Unterschied zu 3a weist das hier verwendete
Hilfselement 21 jedoch in Richtung der Bohrung 25 parallel zu
der Wandung der Bohrung verlaufenden Seitenflächen auf. Im einfachsten Fall
ist dieses Hilfselement 21 zylinderförmig, so dass bei Aufsicht
in Richtung der Bohrung ein kreisförmiger Querschnitt vorliegt. Das
Hilfselement könnte
aber beispielsweise auch dreieckig oder rechteckig ausgebildet sein.
Als weitere Besonderheit zeigt 3b, dass
das Hilfselement 21 eine der Montageplatte 11 zugewandte,
nach außen
gewölbte
Stirnfläche 32 aufweist.
An dieser balligen Stirnfläche 32 ist
das Hilfselement über
eine Klebeschicht 26 mit der Montageplatte 11 verbunden. Durch
den Krümmungsradius
der abgerundeten Stirnfläche 32 ist
die Ausdehnung der Klebefläche 26 beeinflussbar.
Das hier gezeigte Hilfselement 21 hat darüberhinaus
den Vorteil, dass die Klebestellen zur Wandung der Bohrung 27a und 27b eine
deutlich größere Fläche haben
als im Fall der Kugel.
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4 zeigt
eine optische Baugruppe, bei welcher der optische Aufbau 15 und
die Trägerplatte 22 von
unten mit der Montageplatte 22 verbunden werden. In diesem
Falle weist die Montageplatte 22 Bohrungen 25a und 25b sowie
vorteilhafterweise eine dritte Bohrung außerhalb der Figurenebene auf, welche
senkrecht zur Ebene der Montageplatte stehen. Wird die optische
Baugruppe auf diese Weise zusammengesetzt, so wird zunächst der
optische Aufbau 15, welcher z.B. das Detektionsmodul eines Laserscanmikroskops
sein kann, mit der Trägerplatte 22 verbunden.
Die Einheit aus optischem Aufbau 15 und Trägerplatte 22 wird
dann mittels eines Greifarms 23 so angeordnet, dass die
Trägerplatte 22 unterhalb
der Montageplatte 11 mit der Montageplatte 11 zugewandter
Fläche
benachbart liegt. Die Montageplatte 11 und die Trägerplatte 22 liegen
dabei im allgemeinen nicht exakt parallel, sondern bilden zueinander
einen spitzen Winkel, so dass sich ein schmaler Spalt variierender
Breite zwischen den beiden Platten ergibt. Ist nun die Trägerplatte 22 gegenüber der
Montageplatte 11 entsprechend der optischen Achse 28 justiert,
so werden die Verbindungselemente 21a, 21b und 21c in
die ihnen entsprechenden Führungen 25a, 25b und
die dritte, nicht gezeigte Bohrung belegt, so dass sie von der Bohrung 25a, 25b in
eine Richtung geführt
werden und anschließend
auf der Trägerplatte 22 aufliegen.
Anschließend werden
zwischen den Verbindungselementen 21a, 21b, 21c und
den Wandungen der Bohrungen 25a, 25b sowie zwischen
den Verbindungselementen 21a, 21b, 21c und
der Trägerplatte 22 feste
Verbindungen hergestellt. Hierzu wurde vor oder nach dem Einführen der
Hilfselemente 21a, 21b, 21c in die Bohrungen 25a, 25b und
die nicht gezeigte dritte Bohrung auf die späteren Kontaktflächen 26a, 26b, 27a-27d Klebestoff
aufgetragen. Dies kann Sekundenkleber sein oder auch UV-härtender Kleber. Letzterer wird
zum Aushärten
mit UV-Licht bestrahlt. Wie schon in den vorher beschriebenen Beispielen
sind hierfür
einige Elemente aus UV-durchlässigem Material,
wie z.B. Saphir oder Borofloat, hergestellt. Das UV-Licht kann dann
durch diese Elemente hindurch auf die Klebestellen 27a, 27b, 27c, 27d sowie 26a und 26b und
die nicht gezeigten Klebestellen gestrahlt werden.
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5 zeigt,
wie mittels einer Feder 52 ein Hilfselement 21 entgegen
oder zusammen mit seiner Gewichtskraft gegen eine gegenüberliegende
Platte 11 gedrückt
werden kann. Die Feder 52 ist hierzu an einer Hilfsplatte 51 befestigt,
wobei auch mehrere Federn 52 so an der Hilfsplatte 51 befestigt
sein können,
dass mehrere Hilfselemente 21 in einem Arbeitsschritt gegen
die Montageplatte 11 gedrückt werden können. Die
Hilfsplatte 51 wird hierzu auf der der Montageplatte 11 gegenüberliegenden
Seite der Trägerplatte 22 parallel
zu dieser angeordnet, so dass die Federn in die Bohrungen hineinragen
und die Hilfsele mente nach außen
drücken.
Um zu verhindern, dass die Hilfselemente während des Herstellungsprozesses
aus der Bohrung hinausfallen, kann die Bohrung an ihrem Rand ein
oder mehrere Verliersicherungen 53 aufweisen. Diese Verliersicherungen 53 verengen
den Querschnitt der Bohrung 25 in einem kleinen Bereich,
so dass das Hilfselement 21 diesen Bereich nicht mehr passieren
kann. Die Klebestellen 26 und 27a, 27b werden
wie in den obigen Beispielen beschrieben hergestellt. Soll die Aushärtung des
Klebstoffes 27a, 27b, 26 durch Bestrahlung
mit UV-Licht 31 erfolgen, so kann die Hilfsplatte 51 UV-durchlässiges Material,
wie z.B. Borofloat, aufweisen.
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6 zeigt
eine Ausschnittsvergrößerung aus
einer erfindungsgemäßen optischen
Baugruppe, wobei die Hilfskugel 21 mit Hilfe eines Druckschlauches 61 von
unten durch die Trägerplatte 22 hindurch gegen
die Montageplatte 11 gedrückt wird. Auf der der Trägerplatte
abgewandten Seite des Druckschlauches 61 ist eine Hilfsplatte 51 untergebracht, welche
den Druckschlauch 61 gegen die Trägerplatte 22 und die
aus ihrer Ebene in Richtung des Druckschlauchs herausragende Hilfskugel 21 drückt. Die Andruckkraft
des Schlauches gegen das Hilfselement 21 und damit die
Andruckkraft des Hilfselementes 21 gegen die Montageplatte 11 lässt sich
durch die Zufuhr von Druckluft 63 durch einen Zuführschlauch 64 einstellen.
Im hier gezeigten Beispiel weist die Wandung der Bohrung 25 Klebstoffkammern 62 auf,
in welche vor der Montage Klebstoff eingebracht wird, welcher dann
beispielsweise durch die Wirkung der Gravitationskraft aus der Klebekammer 62 herausfließt und dadurch
eine Klebeverbindung 27 zwischen der Wandung der Bohrung
und dem Hilfselement 21 herstellt. Wie in den vorhergehenden Beispielen
kann auch hier UV-härtender
Kleber verwendet werden.
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In
diesem Fall müssen
die Hilfsplatte 51, der Druckschlauch 61 und das
Hilfselement 21 UV-transparent sein, so dass ultraviolettes
Licht 31 auf den Klebstoff 26, 27 gestrahlt
werden kann. Alternativ kann natürlich
auch die Montageplatte 11 UV-Transparent sein, so dass
die UV-Bestrahlung 31 von oben durchgeführt werden kann. Der Vorteil
der ersteren Ausführung
ist jedoch, dass für
die Komponenten der fertigen optischen Baugruppe jene Materialien
ausgewählt
werden können,
welche funktional am günstigsten
sind, ohne dass Rücksicht
darauf genommen werden muss, ob diese Materialien UV-transparent sind.
Einzig das Hilfselement 21 muss durchlässig für ultraviolettes Licht sein.
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7 zeigt
einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen optischen Baugruppe, wobei
ein Hilfselement 21 in einer Bohrung 25 untergebracht ist,
deren Tiefe so groß ist,
dass das Hilfselement auf der der zu verbindenden Platte gegenüberliegenden Seite
der Trägerplatte 22 nicht
hervorragt. Der Druckschlauch 61 kann in diesem Fall nicht
wie im vorhergehenden Beispiel direkt auf das Hilfselement 21 drücken. Um
das Hilfselement 21 dennoch gegen seine Verbindungsstelle 26 zur
Montageplatte 11 drücken zu
können,
weist der Druckschlauch dort, wo er über der Bohrung 25 liegt,
ein Loch 71 auf, durch welches Druckluft in die Bohrung 25 strömen kann.
Das Hilfselement 21 sowie der Klebstoff 27a, 27b sind nun
so in der Bohrung 25 untergebracht, dass zum einen das
Hilfselement 21 die Bohrung auf ihrem Umfang bis auf einen
kleinen Spalt zwischen Hilfselement 21 und Wandung der
Bohrung 25 ausfüllt
und zum anderen der Klebstoff 27a, 27b den verbleibenden
Raum des Umfangs der Bohrung 25 vollständig ausfüllt. Das Hilfselement 21 schließt dadurch
zusammen mit dem Kleber 27a, 27b durch dessen Viskosität und den
zwischen Hilfskugeln und Bohrungswandung wirkenden Kapillarkräften die
Bohrung in Richtung der Montageplatte 11 luftdicht ab.
Dadurch übt
die durch das Loch 71 im Druckschlauch 61 strömende Druckluft 63 eine
Kraft auf das Hilfselement 21 in Richtung der Montageplatte 11 aus.
Die Druckluft 63 drückt
also das Hilfselement 21 gegen die Klebefläche 26 zwischen
dem Hilfselement 21 und der Montageplatte 11.
Vorteilhafterweise können
in der Wandung der Bohrung 25 Klebekammern 62 untergebracht
sein, in welche Klebstoff gefüllt
wird bevor das Hilfselement 21 in die Führung 25 eingeführt wird.
Bewegt sich nun das Hilfselement 21 durch die Bohrung 25 hindurch
an den Klebekammern 62 vorbei, so wird es an seinen an
die Wandung der Führung 25 grenzenden
Flächen
mit Klebstoff 27a, 27b benetzt. Die Klebekammern
können
auch verwendet werden, um überschüssigen Klebstoff
aufzunehmen. Je nach Ausgestaltung der Klebekammern 62 kann die
Benetzung des Hilfselementes mit Klebstoff 27a, 27b auch
dadurch verursacht werden, dass die gesamte Anordnung umgedreht
wird, so dass Klebstoff durch Wirkung der Gewichtskraft aus der
Klebkammer 62 herausfließt. Wird UV-härtender
Klebstoff verwendet, so sind wiederum Hilfsplatte 51, Druckschlauch 61 und
Hilfselement 21 Vorteilhafterweise aus UV-transparentem
Material. Die Verwendung eines Druckschlauches 61 eignet
sich hier, wie auch im vorhergehenden Beispiel, natürlich auch
zur Montage der Baugruppe in umgekehrter Lage, d.h. dass die Hilfsplatte 51 und
der Druckschlauch 61 über
der Trägerplatte 22 liegen,
während
die Montageplatte 11 unterhalb der Trägerplatte 22 angeordnet
ist.
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8 zeigt
eine erfindungsgemäße Baugruppe,
deren Hilfselement 21a in einem Festkörpergelenk 81 gelagert
ist. Wiederum wird der optische Aufbau 15, wel cher auf
der Trägerplatte 22 fest
angeordnet ist, mittels eines Greifers 23 gegenüber der Montageplatte 11 justiert.
Anschließend
werden die festen Verbindungen 26 und 27 hergestellt.
Wird nun die optische Baugruppe unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt,
so werden ihre Bestandteile sich im allgemeinen unterschiedlich
ausdehnen. Dehnt sich aber die Montageplatte 11 anders
aus als die Trägerplatte 21,
so wirkt auf die Klebestellen 26, welche die Hilfselemente
mit der Montageplatte verbinden, eine Kraft, die umso größer ist,
je unterschiedlicher das Temperaturausdehnungsverhalten der beiden
Platten ist. Damit durch diese Spannungen die Klebeverbindungen 26 nicht
zerstört
werden, können
ein oder mehrere Hilfselemente 21a in Festkörpergelenken 81 untergebracht
sein, welche in Richtung der auftretenden Spannungen elastisch nachgiebig
sind. Die Beweglichkeit erfolgt hierbei durch die Elastizität des Materials.
Das Festkörpergelenk 81 ist
seinerseits in einer Bohrung 25 untergebracht, während das
dieser Bohrung zugeordnete Hilfselement 21a in dem Festkörpergelenk 81 so
untergebracht ist, dass zwischen den Wänden des Festkörpergelenkes 81 und
dem Hilfselement 21a ein schmaler Klebespalt entsteht,
in welchem eine Klebeverbindung 27 hergestellt wird. Die
Verbindung zwischen Trägerplatte 22 und
Montageplatte 11 erfolgt hier also zunächst über die Verbindung der Trägerplatte 22 mit
dem Festkörpergelenk 81,
welches seinerseits über
die Klebeverbindungen 27 mit dem Hilfselement 21a verbunden
ist, welches dann seinerseits über
eine Klebestelle 26 mit der Montageplatte 11 verklebt
ist. Vorteilhafterweise können
die Festkörpergelenke
durch Snap-In-Verbindungen in der Platte montiert werden. Das Festkörpergelenk 81 ist
vorzugsweise nur in einer Richtung beweglich gestaltet, so dass
in dieser Richtung thermische Spannungen aufgenommen werden können, in
den anderen Richtungen aber die notwendige Stabilität gewährleistet
wird. Besonders vorteilhaft ist die Kombination von Hilfselementen 21a,
welche in Festkörpergelenken 81 gelagert
sind, mit solchen Hilfselementen 21b, welche direkt mit
der ihnen zugeordneten Bohrung 25b verbunden sind. Auf
diese Weise können
in den Bereichen, wo die auftretenden thermischen Spannungen gering
sind, feste, stabile Verbindungen hergestellt werden, während in
solchen Bereichen, wo die auftretenden thermischen Spannungen hoch
sein werden, elastisch gelagerte Klebeverbindungen untergebracht
werden können.
Die Festkörpergelenke
können
z.B. monolithisch durch Drahterodieren oder Fräsen aus Titan – oder Al-Legierungen
oder aus einem Aluminium-Strangprofil hergestellt werden. Die in
den anderen Beispielen beschriebenen Techniken zur UV-Aushärtung des Klebestoffes
und zum Andrücken
von Hilfselementen 21 gegen die eine oder andere Platte 11, 22 und
zum Verkleben lassen sich natürlich
auch in Verbindung mit Festkörpergelenken 81 anwenden.
Durchstößt die das
Festkörpergelenk 81 aufweisende
Bohrung 25a die Platte, in welcher sie untergebracht ist,
nicht, und bildet sie dort nur eine Art Topf, so kann das Festkörpergelenk 81 in
der Bohrung 25a an dem Boden der Bohrung 25a befestigt
sein. Durchstößt die das Festkörpergelenk 81 aufweisende
Bohrung 25a die Trägerplatte 22 jedoch,
so kann das Festkörpergelenk 82 auch
an einer zusätzlichen
Platte 81 befestigt sein, welche auf der der zu verbindenden
Montageplatte 11 abgewandten Seite der Trägerplatte 22 parallel
zu dieser fest mit der Trägerplatte 22 verbunden ist.
Das hier Gesagte gilt selbstverständlich auch für den Fall,
dass mehrere Bohrungen 25 Festkörpergelenke 81 aufweisen.
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Für die Verwendung
von Festkörpergelenken 81 ist
die in 9 gezeigte Anordnung von in Festkörpergelenken 81a, 81b, 81c untergebrachten Hilfselementen 21a, 21b, 21c in
Verbindung mit einem fest angeordneten Hilfselement 21d besonders vorteilhaft.
Hierbei sind die Bohrungen 25a, 25b, 25c in
einem Dreieck angeordnet, dessen Mitte das feste Hilfselement 21d bildet.
Die Festkörpergelenke 81a, 81b, 81c,
welche in diesen Bohrungen 25a, 25b, 25c untergebracht
sind, haben jeweils eine mögliche
Bewegungsrichtung. Diese Bewegungsrichtung ist in Richtung des festen
Hilfselementes 21d, also in Richtung der Mitte des Dreiecks,
ausgerichtet.
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10 zeigt
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen
Baugruppe. Hierbei werden die beiden miteinander zu verbindenden
Platten 11 und 22 über eine Kombination von festen
Verbindungsstellen 26 mit elastischen Verbindungsstellen 101a, 101b miteinander
verbunden. Die elastischen Klebestellen 101a, 101b sind
geeignet, Spannungen, welche bei unterschiedlichen Temperaturen
auftreten, aufzunehmen. Wiederum werden die festen Verbindungen 26 vorteilhafterweise
in Bereichen der Platten untergebracht, welche nur geringen thermischen
Ausdehnungen unterworfen sind, während
die elastischen Verbindungen in jenen Bereichen angebracht werden,
in denen bei Temperaturänderung
große
Spannungen auftreten können. Wie
auch in den vorhergehenden Ausführungsformen
der optischen Baugruppe bilden auch hier die Montageplatte und die
Trägerplatte 22 einen
Winkel zueinander, wodurch der Abstand der beiden Platten 11 und 22 nicht
an allen Klebepunkten 101a, 101b gleich breit
ist. Hierdurch weisen die elastischen Klebestellen 101a, 101b je
nach ihrer Lage eine unterschiedliche Dicke auf.
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Werden
in dieser Weise elastische Verbindungen 101a, 101b, 101c in
Verbindung mit festen Klebestellen 21a, 21b, 21c verwendet,
so werden vorzugsweise drei elastische Klebestellen 101a, 101b, 101c in
Verbindung mit drei festen Klebestellen 21a, 21b, 21c wie
in 11 dargestellt angeordnet. Die Verbindungspunkte
werden hierbei in Form eines Y so angeordnet, dass der Verbindungspunkt
der Schenkel des Y in der Mitte der Trägerplatte liegt. Auf jedem
Schenkel des Y befindet sich auf der zur Mitte hin gewandten Seite
ein fester Klebepunkt 21a, 21b, 21c und
auf der der Mitte abgewandten Seite des Schenkels ein elastischer
Klebepunkt 101a, 101b, 101c. Die Entfernung
aller festen Verbindungsstellen 21a, 21b, 21c zum
Mittelpunkt des Y 111 ist gleich groß, ebenso ist die Entfernung
jedes elastischen Klebepunktes 101a, 101b, 101c zur
Mitte des Y 111 die gleiche. Vorteilhafterweise sollte
der Abstand der festen Klebeverbindungen 21a, 21b, 21c zueinander 20
mm nicht übersteigen.
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Neben
dem Problem der Beanspruchung der Verbindungsstellen 26 durch
thermische Spannungen besteht bei der Verwendung von Platten aus
Materialien mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten
das Problem, dass die Platten sich durch die auftretenden Spannungen
verbiegen können. 12 zeigt
eine vorteilhafte Ausgestaltung der optischen Baugruppe, bei welcher
auf der der Trägerplatte 22 abgewandten
Seite der Montageplatte 11 eine Kompensationsplatte 121 symmetrisch
zur Trägerplatte 22 angeordnet
ist. Auch diese Kompensationsplatte 121 ist mit der Trägerplatte 11 über Hilfselemente 122a, 122b, 122c verbunden.
Für die Montage
und die Anordnung dieser Hilfselemente gilt das in den vorhergehenden
Ausführungsformen
geschilderte. Jedes der Hilfselemente 122a, 122b, 122c ist
in einer ihm zugeordneten Bohrung in der Ge genplatte 121 genau
gegenüberliegend
einem Hilfselement 21a, 21b, 21c in der
Trägerplatte 22 untergebracht.
Die Kompensationsplatte 121 weist das gleiche Material
auf wie die Trägerplatte 22.
Sie ist also das genaue Spiegelbild der Trägerplatte 22, gespiegelt
an der Ebene der Montageplatte 11. Auch in diesem Aufbau
kann UV-härtender
Kleber verwendet werden, es gilt zur UV-Durchlässigkeit der verwendeten Materialien
das oben für
die anderen Ausführungsformen
der Erfindung geschilderte.
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13 zeigt
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen
Baugruppe. Hierbei wird zur Aufnahme der thermischen Spannungen
zwischen der Montageplatte 11 und der Trägerplatte 22 eine
Zwischenplatte 131 angeordnet. Vorteilhafterweise liegt
der Temperaturausdehnungskoeffizient dieser Zwischenplatte 131 zwischen
jenem der Trägerplatte 22 und
jenem der Montageplatte 11. Die Ausgleichsplatte 131 ist
mit der Montageplatte 11 über Klebstoffpunkte 132 verbunden.
Die Trägerplatte 22 ist
mit der Zwischenplatte 131 ebenso verbunden, wie die Zwischenplatte 22 mit
der Montageplatte 11 in den vorhergehenden Beispielen. Es
können
hierbei dieselben Anordnungen von Hilfselementen, von Festkörpergelenken
und Klebepunkten auftreten wie in den oben genannten Ausführungsformen.
Die Klebstoffverbindungen zwischen der Zwischenplatte 131 und
der Montageplatte 11 können
so gestaltet sein, dass sie Temperaturausdehnungsunterschiede aufnehmen
können.
Als Materialien für
die Platten kommen für
die Trägerplatte z.B.
Aluminium mit einem Temperaturausdehnungskoeffizienten von α = 23·10–6 K–1,
für die
Zwischenplatte beispielsweise Stahl mit einem Temperaturausdehnungskoeffizienten
von α =
11·10–6 K–1 und
für die
Montageplatte z.B. Borofloat, mit einem Temperaturausdehnungskoef fizienten
von α =
3,3·10–6 K–1 in Frage.
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Die 14 bis 20 sollen
im folgenden Beispielhaft ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verbinden
einer Trägerplatte 22 mit
einer Montageplatte 11 veranschaulichen. Hierbei ist, wie
in den vorhergehenden Beispielen, auf der Trägerplatte 22 eine
Gruppe von optischen Elementen 15 angeordnet, welche mit
Hilfe eines Greifarms 23 entsprechend einer optischen Achse 28 justiert
werden sollen. Es wird aber nun eine Trägerplatte verwendet, an welcher
die Hilfselemente 21a und 21b fest untergebracht
sind. Diese Hilfselemente 21a, 21b können in der
Trägerplatte 22 verankert
sein oder vor Beginn der Justage z.B. durch Kleben oder Löten fest
mit der Trägeplatte 22 verbunden
werden. Die Montageplatte 11 weist für dieses Verfahren Bohrungen 25a und 25b auf.
Es wird nun zunächst
die Trägerplatte 22 so neben
der Montageplatte 11 angeordnet, dass je ein Hilfselement 21a, 21b der
Trägerplatte
in eine Bohrung 25a, 25b in der Montageplatte 11 hineinragt.
Vor oder nach dieser Anordnung wird ein Schlauch 141 oder
eine Hülse 141 das
jeweilige Hilfselement 21a, 21b umfassend in die
Bohrungen eingelegt. Die Abstandshülse 141 kann dabei
an dem Hilfselement 21a, 21b oder an der Wandung
der Bohrung 25a, 25b anliegen. Es folgt nun eine
erste Justage der Trägerplatte 22 gegenüber der
Montageplatte 11 mittels des Greifarms 23, der
mit einer Justiervorrichtung, welche nicht gezeigt ist, verbunden
sein kann. Es entsteht dabei innerhalb der Bohrung ein freier Raum 142.
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Wie
in 15 gezeigt, wird nun ein erster Klebstoff 151 in
den verbleibenden Abstand 142 der 14 eingebracht.
Nach dem Aushärten
dieses ersten Klebers 151 wird der Schlauch 141 aus
der jeweiligen Bohrung entfernt. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn
dieser Abstandshalter 141 Antihaftmaterialien wie z.B.
Teflon aufweist oder mit polymeren Antihaftschichten beschichtet
ist, damit sich seine Oberflächen
nicht mit dem Kleber verbinden. Ist die Hülse 141 aus der Bohrung 25a, 25b entfernt,
so bleibt, wenn die Hülse 141 an
dem Hilfselement 21a, 21b anlag, zwischen dem
Hilfselement 21a, 21b und dem ausgehärteten ersten
Klebstoff 151 ein schmaler Spalt 152. Lag die
Hülse 141 an
der Wandung der Bohrung 25a, 25b an, so entsteht
dieser schmale Spalt 152 zwischen der Wandung der Bohrung 25a, 25b und
dem ausgehärteten
ersten Klebstoff 151. Es wird nun die optische Baugruppe
mit Hilfe des Greifers 23 ein zweites Mal justiert, wobei
als Bereich für die
Einstellung der Lage der Trägerplatte 22 zur
Montageplatte 11 nur noch der kleine Raum 152 zur
Verfügung
steht.
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Ist
die optische Achse 28 wunschgemäß ausgerichtet, so wird im
nächsten
Schritt, wie in 16 gezeigt, ein zweiter Klebstoff 161 eingebracht.
Dieser stellt eine stoffschlüssige
Verbindung zwischen dem ersten Kleber 151 und dem Hilfselement 21a, 21b her.
Der erste Kleber 151 wie auch der zweite Kleber 161 können Sekundenkleber
oder UV-härtender
Kleber sein. Für
den Fall, dass UV-Kleber verwendet wird, erfolgt die Aushärtung durch
Einstrahlung von UV-Licht 31 nach dem zweiten Justageschritt.
Um die Einstrahlung von UV-Licht zu ermöglichen, können die Montageplatte 11 und/oder die
Trägerplatte 22 UV-durchlässig, z.B.
aus Borofloat, gestaltet sein. Für
das Hilfselement 21a, 21b kann auch hier Saphir
verwendet werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, für den Fall
dass keine UV-durchlässigen
Materialien verwendet werden sollen, in der Trägerplatte 22 Öffnungen 162 unterzu bringen,
durch welche das UV-Licht 31 auf die Klebstoffe 151 oder 161 gestrahlt
werden kann. Hierzu sind kationische UV-Klebstoffe geeignet.
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17 zeigt
eine optische Baugruppe entsprechend 16 mit
dem Unterschied, dass bei ihrer Herstellung die Hülse 141 nicht
an dem Hilfselement 21a, 21b anlag, sondern an
der Wandung der Bohrung. Dadurch liegt der erste Klebstoff 151 an dem
Hilfselement 21a, 21b an, während der zweite Klebstoff 161 den
verbleibenden Spalt zwischen Wandung der Bohrung und erstem Klebstoff 151 auffüllt. Alles
zu 16 gesagte gilt auch hier.
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18 zeigt
eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Baugruppe. Das Verfahren verlief analog zu dem, welches
für die
vorhergehenden Figuren geschildert wurde. Hier sind jedoch die Hilfselemente 21a, 21b an
der Montageplatte 11 angeordnet, welche in Bohrungen 25a, 25b in der
Trägerplatte 22 ragen.
Wie auch im oben geschilderten Verfahren wurde ein Abstandshalter 141 in
die Bohrung 25a, 25b eingebracht, dann die Bohrung 25a, 25b mit
einem ersten Klebstoff 151 ausgefüllt, anschließend der
Hilfsschlauch 141 entfernt, die Baugruppe feinjustiert
und dann ein zweiter Klebstoff 161 in die verbleibenden
Freiräume
innerhalb der Bohrung 25a, 25b eingebracht, welcher
abschließend
durch Einstrahlung von ultraviolettem Licht 31 ausgehärtet wurde.
Ist die Montageplatte 11 nicht aus UV-durchlässigem Material
gefertigt, so kann sie Bohrungen 162 aufweisen, durch welche
hindurch der Klebstoff mit ultraviolettem Licht 31 beschienen wird.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des geschilderten Verfahrens wird,
wie in 19 gezeigt, als Ab standshülse 141 eine
aufblasbare Druckmanschette verwendet. Diese wird vor Einbringen
des ersten Klebers 151 über
eine Zuleitung 191 mit Druckluft gefüllt, wodurch ihr Durchmesser
im Bereich von Zehntel Millimetern variierbar ist. Die Klebemanschette 141 sollte
dünnwandig,
aus nicht-haftenden Materialien, wie z.B. polymerbeschichteten Edelstahlfolien,
hergestellt sein und eine Druckluftkanüle aufweisen. Vorteilhafterweise
hält der
Greifarm 23 die Trägerplatte 22 so
fest, dass durch Schrumpfung des ersten Klebers 151 auftretende
Kräfte
die erste Justierung nicht beeinflussen, sondern von der Druckluftmanschette 141 abgefedert
werden. Ist der erste Kleber 151 ausgehärtet, wird die Druckluft abgelassen
und die Manschette 141 aus dem Loch 25 entfernt.
Es erfolgt nun wie im oben geschilderten Verfahren die Feinjustierung
und das Einbringen des zweiten Klebers 161.
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Anstelle
einer Hülse 141 oder
eine Druckluftmanschette 141 kann, wie in 20 gezeigt,
eine Manschette 141 mit einer Paraffinschicht 204,
welche zwischen zwei Folien 202, 203 untergebracht
ist, verwendet werden. Die Manschette 141 weist hierbei eine äußere Folienschicht 202,
eine innere Folienschicht 203 und eine zwischen den beiden
Folienschichten eingebrachte Paraffinschicht 204 auf. In die
Paraffinschicht 204 ist eine Heizvorrichtung 201 eingelassen.
Mit dieser Heizvorrichtung 201 kann die Paraffinschicht 204 nach
dem Einbringen des ersten Klebers 151 aufgeschmolzen werden,
so dass die Manschette 141 aus der Bohrung 25 entfernt
werden kann. Die Folienringe 202, 203 sollen verhindern, dass
das stark hydrophobe Paraffin 204 auf die Klebeflächen des
Feinklebespaltes gelangt. Nach dem Aufschmelzen der Paraffinschicht 204 sind
die Folienhülsen 202 und 203 kräftefrei
aus der Bohrung 25 in der Platte herausziehbar und es entsteht ein
Klebespalt 152 für
die Feinklebung. Die Folienringe 202 und 203 müssen bei
der Montage nicht unbedingt schon ringförmig geschlossen sein, sie
können
auch als Folienstreifen 203, 202 in die Bohrung 25 selbst spannend
und überlappend
eingelegt und auch wieder entfernt werden, wobei auf der Innenseite
des äußeren Folienstreifens 202 bereits
vor seiner Montage die dünne
Paraffinschicht 204 mit dem eingebetteten Heizdraht 201 aufgetragen
wird. Die Folienstreifen 202, 203 werden zu einem
Zylinder zusammengerollt und in die Bohrung gestreckt. Nach dem
Loslassen legt sich die Folie 202, 203 elastisch
an der Bohrung an. Die Paraffinschicht 204 hat vorteilhafterweise eine
Dicke von 100 μm
und schmilzt bei ca. 50 °C.
Sie kann vor der Montage in flüssigem
Zustand auf die Folie 202 aufgegossen werden. Die Folien 202 und 203 ihrerseits
können
z.B. Edelstahlfolien von 20 μm Dicke
sein. Für
den Heizdraht 201 eignet sich beispielsweise Konstantandraht
von ungefähr
50 μm Durchmesser,
welcher vor der Montage schleifenförmig in die flüssige Paraffinschicht 204 auf
der Folie 202 eingelegt wird.
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Die
Vorklebung mit dem ersten Kleber 151 kann durch einen hochviskosen
UV-Kleber geschehen, die dem Entfernen der Hülse 141 folgende Feinverklebung
kann beispielsweise mit Sekundenkleber erfolgen, welcher gegen Feuchtigkeitseinfluss
geschützt
werden muss. Für
die beidseitige Bestrahlung des UV-Klebers mit ultraviolettem Licht 31 wird eine
Montageplatte 11 aus Borofloat verwendet oder die Montageplatte
weist Öffnungen 162 auf,
durch welche das UV-Licht 31 auf die Klebstoffschichten 151, 161 gestrahlt
werden kann.
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Zur
Bildung des Feinklebespalts kann, wie in 21 und 22 dargestellt,
erfindungsgemäß auch eine Formgedächtnismanschette 211 verwendet
werden. Die Manschette ist doppelwandig mit einer inneren Wandung 213 und
einer äußeren Wandung 212 gestaltet.
Bei Zimmertemperatur ist die Manschette 211 entspannt und
die innere Wandung 213 liegt eng an der äußeren Wandung 212 an.
Bei Erwärmung
der Manschette 211 auf eine Temperatur von ca. 80 °C bildet
sich zwischen den beiden Ringen 212, 213 der Manschette 211 ein
Zwischenspalt 215, der durch den Memory-Effekt beispielsweise
einer Ti52Ni33Cu15-Folie verursacht wird und durch den Bimetalleffekt
zu einer Molybdänfolie
von jeweils beispielsweise 100 µm
Dicke noch verstärkt
wird. Die Molybdänfolie
weist hierbei vorteilhafterweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von α =
5,2·10–6 K–1 auf,
der bedeutend unter dem der Ti52Ni33Cu15-Folie von α = 16·10–6 liegt.
Die Erwärmung
der Manschette erfolgt durch einen Stromfluss von beispielsweise
I = 1 A, welcher durch die Heizvorrichtung 211 fließt. In diesem
Fall muss die Manschette 211 über eine Isolierschicht 214 elektrisch
gegen die Platte 22 isoliert sein. Vorteilhafterweise weist
die Manschette 211 zur Be- und Entlüftung des Ringspalts 215 eine Öffnung auf.
Im vorliegenden Verfahren wird die Manschette 211 wie die
in den vorhergehenden Beispielen geschilderten Hülsen in die Bohrung 25 an deren
Wandung anliegend und das Hilfselement 21 umgebend eingebracht.
Anschließend
wird mit einem ersten Klebstoff 151 die Vorklebung vorgenommen und
der Klebstoff 151 ausgehärtet. Die Formgedächtnismanschette 211 kann
nun abgekühlt
werden, so dass sie sich entspannt und die innere Wandung 213 an
der äußeren Wandung 212 anliegt.
Wird die Manschette 211 nun aus der Bohrung entfernt, so
entsteht wie in dem oben geschilderten Beispiel ein Feinklebespalt 152 für eine Feinklebung.
Die anderen Verfahrensschritte verlaufen analog zu den oben geschilderten.
Die Man schette 211 kann zur Auslösung des Memory- und des Bimetalleffekts
statt durch Strom auch durch eine Heißluftdüse erwärmt werden. Die elektrische
Isolierschicht 214 zwischen der Platte 22 und
der Manschette 211 ist dann nicht erforderlich.
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22 zeigt
die Formgedächtnismanschette 211 im
entspannten Zustand. Es entsteht beim Entspannen der Manschette 211 zwischen
der Wandung der Bohrung und der Manschette ein erster Abstand 222 sowie
zwischen dem ausgehärteten
ersten Klebstoff 151 und der Manschette 211 ein
zweiter Abstand 221. Da die Manschette weder an der Wandung
der Bohrung noch an dem ersten Klebstoff 151 anliegt, kann
sie also im entspannten Zustand kräftefrei aus der Bohrung 25 gezogen
werden. Der Abstand 221 zusammen mit dem Abstand 222 und
dem von der Formgedächtnismanschette 211 ausgefüllten Bereich
bilden dann einen Feinklebespalt 152.
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Die
erfindungsgemäßen Verfahren
und die erfindungsgemäße optische
Baugruppe haben eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik:
- • Dadurch,
dass die Vorrichtungen zur Justage beim Hersteller verbleiben, kann
der Preis für
die Baugruppe deutlich gesenkt werden.
- • Dadurch,
dass die Hilfselemente in einer Bohrung geführt werden, ist es möglich, die
Baugruppe zunächst
frei zu justieren und anschließend
in kürzester
Zeit eine feste Verbindung herzustellen.
- • Durch
die nahezu senkrechte Anordnung der Klebeflächen zwischen den Hilfselementen
und den Wandungen der Bohrungen zu den Klebestellen der Hilfselemente
mit der zu verbindenden Platte relativ zur Bohrungsachse tritt keine
nennenswerte Dejustierung der optischen Baugruppe durch Schrumpfung
des Klebers beim Aushärten auf.
- • Bei
geeigneter Wahl der Hilfselemente können durch große Klebeflächen sehr
feste Verbindungen zwischen den Komponenten der optischen Baugruppe
hergestellt werden, ohne dass die Flexibilität bei der Justierung eingeschränkt würde.
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Die
Erfindung kann z.B. verwendet werden, um die Komponenten des Detektionsmoduls
eines Laserscanmikroskops, wie Farbteiler, Pinholeoptik, Pinhole
und Farbfilter, zueinander justiert auf eine Montageplatte zu übertragen.