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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden zweier optischer und/oder
elektronischer Bauteile.
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Derartige
Vorrichtungen werden typischerweise in Sensoren, insbesondere in
optischen Sensoren eingesetzt. Die Bauteile bilden dann Sensorelemente,
im Falle von optischen Sensoren Sender, die Lichtstrahlen emittieren,
sowie Empfänger, die Lichtstrahlen empfangen, sowie Träger
wie zum Beispiel ein Tubus für einen optischen Sensor.
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Um
eine einwandfreie Funktion der Sensoren zu erhalten, besteht eine
wesentliche Anforderung darin, die die Bauteile bildenden Sensorelemente
genau zu positionieren, insbesondere genau an einem Träger
oder dergleichen zu justieren und dann zu befestigen.
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Prinzipiell
ist es bekannt, solche Justagen und Fixierungen durch mechanische
Feststellsysteme wie Verschraubungen oder Klemmungen zu realisieren.
Bei einem System, das mit Verschraubungen arbeitet, werden die Bauteile
zunächst lose miteinander verschraubt, so dass die Bauteile
gegeneinander ausgerichtet werden können. Zur Fixierung
der Bauteile werden dann die Verschraubungen fest angezogen. Dabei
treten jedoch mechanische Spannungen und Kräfte auf, die
dazu führen können, dass die vorab eingestellte
Sollposition der Bauteile wieder verloren geht.
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Aus
der
EP 1 046 938 A2 ist
eine Verbindungsvorrichtung für optoelektronische Bauteile
bekannt, welche zwei korrespondierende Kopplungselemente aufweist,
von denen je eines an einem der zu verbindenden Bauteile anzuordnen
ist und die in einer einstellbaren Relativposition zueinander fixiert werden
können. Die Einstellbarkeit der Relativposition erlaubt
die Justage der Kopplungselemente – und damit der Bauteile – gegeneinander.
Die Fixierung der Kopplungselemente aneinander wird durch eine im
Verarbeitungszustand fließfähige und im Gebrauchszustand
feste Fixierungsmasse hergestellt. Der Einsatz der Fixierungsmasse
hat den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise eine sehr präzise Justage
der Bauteile erreicht wird, welche auch beim nachträglichen
Fixieren erhalten bleibt.
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Die
Kopplungselemente eines ersten Bauteils können von am ersten
Bauteil angeordneten Stiften ausgebildet sein, die in Bohrungen
des zweiten Bauteils, die zweite Kopplungselemente bilden, ragen.
Um eine Justage der Bauteile zueinander in drei Raumrichtungen zu
ermöglichen, müssen die Stifte mit relativ großem
Spiel in den Bohrungen geführt sein. Dies aber bedeutet,
dass mit Kopplungselementen keine Zwangsführung bei der
durchzuführenden Justage erhalten wird, was eine genaue
und reproduzierbare Justage erschwert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art mit verbesserter Funktionalität bereitzustellen.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1
vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Verbinden
zweier vorzugsweise optischer und/oder elektronischer Bauteile und
umfasst ein Verbindungselement, welches eine in einer Ebene verlaufende
Auflagefläche aufweist, auf welche ein erstes Bauteil auflegbar
ist und dabei in der Ebene relativ zum Verbindungselement ausrichtbar
ist, und welches wenigstens ein senkrecht zur Auflagefläche orientiertes
Führungssegment aufweist, welches in eine Führung
des zweiten Bauteils einführbar ist. Dabei ist die Position
des zweiten Bauteils zum ersten Bauteil senkrecht zur Ebene einstellbar.
Eingestellte Sollpositionen der Bauteile sind zueinander durch Aufbringen
von Fixiermasse auf die Auflagefläche und das Führungssegment
kräftefrei fixierbar.
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Die
Verbindungselemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bilden separate, von den zu verbindenden Bauteilen unabhängige
Teile, die kostengünstig herstellbar sind. Zudem kann durch
eine geeignete Formgebung der Verbindungselemente die Art der Justage
und Fixierung der Bauteile einfach vorgegeben werden. Weiterhin
ist kein oder nur ein geringer konstruktiver Aufwand notwendig,
um die Bauteile an die Verbindungselemente anzupassen. Dabei kann
die Auflage des ersten Bauteils auf der Auflagefläche eines
Verbindungselements vorteilhaft ohne jegliche Anpassung dieses Bauteils
erfolgen. Die Führungen im zweiten Bauteil zur Aufnahme
von Führungssegmenten der Verbindungselemente können
in Form von Bohrungen sehr einfach hergestellt werden. Damit weist
die erfindungsgemäße Vorrichtung einen einfachen,
modularen Aufbau auf.
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Ein
wesentlicher funktioneller Vorteil der erfindungsgemäßen
Vorrichtung besteht darin, dass die Verbindungselemente selbst Zwangsführungen bilden,
so dass eine Justage der Bauteile in separaten Raumrichtungen ermöglicht
wird. Dabei bilden die Auflageflächen der Verbindungselemente
erste Zwangsführungen, auf welchen das erste Bauteil aufliegend
in einer durch die Auflagefläche vorgegebenen Ebene in
zwei Raumrichtungen justiert werden kann. Unabhängig davon
kann durch Einstellen der Positionen der Führungssegmente
der Verbindungselemente in den Führungen des zweiten Bauteils dessen
Position relativ zum ersten Bauteil in einer Richtung senkrecht
zur Ebene, welche durch die Auflagefläche vorgegeben ist,
justiert werden.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen
Vorrichtung besteht darin, dass die Bauteile in der eingestellten
Position durch die Verwendung der Fixiermasse kräftefrei
fixiert werden können, das heißt die vorgenommene
Justage der Bauteile wird durch den Fixiervorgang nicht beeinträchtigt
und bleibt vollständig erhalten.
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Die
Fixiermasse kann ein Lot, beispielsweise Lötzinn, oder
ein vorzugsweise mit UV-Strahlen härtbarer Klebstoff sein.
Generell wird die Fixiermasse in fließfähigem
Zustand auf die Verbindungselemente beziehungsweise die Bauteile
aufgetragen, wobei die Fixierung dann dadurch erfolgt, dass die
Fixiermasse aushärtet.
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Generell
kann die Fixiermasse vorab auf die Stellen der Verbindungselemente
aufgetragen werden, die in Kontakt mit den Bauteilen gebracht werden.
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Alternativ
kann die Fixiermasse erst dann aufgebracht werden, wenn das erste
Bauteil auf der oder den Auflageflächen aufliegt und das
oder die Führungssegmente in die Führungen des
zweiten Bauteils eingeführt ist. In diesem Fall wird die
Fixiermasse über, gegebenenfalls zusätzlich an
den Bauteilen vorzusehenden, Öffnungen oder Spalten den jeweiligen
Nahtstellen zwischen Bauteilen und Verbindungselement zugeführt.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung liegt dabei das erste
Bauteil nicht flächig auf einer Auflagefläche
eines Verbindungselements auf, sondern auf identischen, einstückig
mit dem Verbindungselement ausgebildeten Noppen, die von der ansonsten
ebenen Auflagefläche hervorstehen. Dadurch entsteht ein
kleiner definierter Spalt zwischen Verbindungselement und erstem
Bauteil, in welchen Fixiermasse eingeführt werden kann.
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Die
Formgestaltung und Anzahl der Verbindungselemente ist variabel und
bevorzugt an die Art der zu verbindenden Bauteile angepasst. Generell besteht
ein Verbindungselement aus einem oder mehreren Führungssegmenten
sowie einem oder mehreren an das oder die Führungssegmente
anschließenden Auflagesegmenten. Dabei kann sowohl die
Oberseite als auch die dem jeweiligen Führungssegment zugewandte
Unterseite des Auflagesegments die Auflagefläche bilden
beziehungsweise Bestandteil der Auflagefläche sein. Durch
die unterschiedlichen Nutzungsmöglichkeiten der Verbindungselemente
sowie die Verwendung unterschiedlicher Verbindungselemente ergibt
sich eine hohe Flexibilität der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1:
Perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung zum Verbinden zweier Bauteile.
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2:
Schnittdarstellung der Vorrichtung gemäß 1.
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3:
Variante des Verbindungselements für die Vorrichtung gemäß 1.
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4:
Schnittdarstellung einer Variante der Vorrichtung gemäß 1.
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5:
Zweites Ausführungsbeispiel eines Verbindungselements.
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6:
Drittes Ausführungsbeispiel eines Verbindungselements.
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7:
Perspektivische Darstellung der Komponenten eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung zum Verbinden zweier Bauteile.
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8:
Schnittdarstellung der Vorrichtung gemäß 1.
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1 zeigt
schematisch die Komponenten einer Vorrichtung 1 zum Verbinden
zweier Bauteile 2, 3. Im vorliegenden Fall sind
die Bauteile 2, 3 Bestandteil eines optischen
Sensors. Das erste Bauteil 2 bildet einen Lichtstrahlen
emittierenden Sender, der auf einer Platine oder dergleichen angeordnet
ist. Diese Sendereinheit ist der Übersichtlichkeit halber in
Form einer einfachen Platte dargestellt. Das zweite Bauteil 3 bildet
einen Tubus oder einen ähnlichen Träger an dem
der Sender justiert und dann fixiert werden muss. Der Übersichtlichkeit
halber ist ein Teil des Tubus in Form einer Platte dargestellt.
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Zur
Verbindung der Bauteile 2, 3 werden Verbindungselemente 4 eingesetzt.
Im vorliegenden Fall werden zwei identische Verbindungselemente 4 verwendet.
Das Verbindungselement 4 besteht aus Metall oder aus einem
Kunststoff-Spritzgussteil. Jedes Verbindungselement 4 weist
dabei ein kreisscheibenförmiges Auflagesegment 4a auf.
Zudem weist jedes Verbindungselement 4 ein stiftförmiges
Führungssegment 4b auf, das von der Unterseite
des Auflagesegments 4a senkrecht zu diesem hervorsteht.
Das Führungssegment 4b verläuft in der
Symmetrieachse des Verbindungselements 4 und weist im vorliegenden
Fall einen konstanten, kreisförmigen Querschnitt auf. Anstelle
eines kreisförmigen Querschnitts kann das Führungssegment 4b auch
einen nicht rotationssymmetrischen, insbesondere rechteckigen oder quadratischen
Querschnitt aufweisen. Zudem kann der Querschnitt des Führungssegments 4b über
dessen Länge auch variieren.
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Das
zweite Bauteil 3 wird von Bohrungen durchsetzt, die Führungen 5 für
die Führungssegmente 4b der Verbindungselemente 4 bilden.
Die Querschnitte der Führungen 5 sind an die Querschnitte
der Führungssegmente 4b so angepasst, dass die
Führungssegmente 4b der Verbindungselemente 4 mit
geringem Spiel in den Führungen 5 verlaufen.
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Die
Oberseiten der Auflagesegmente 4a der Verbindungselemente 4 bilden
ebene Auflageflächen, auf welche das erste Bauteil 2 aufgesetzt
werden kann.
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Zur
Verbindung der Bauteile 2, 3 wird, wie in 1 schematisch
dargestellt, auf Abschnitte der Führungssegmente 4b sowie
auf die Auflageflächen der Verbindungselemente 4 Fixiermasse 6 aufgebracht.
Bei Aufbringen der Fixiermasse 6 auf die Verbindungselemente 4 oder
zumindest während der Ver bindung der Verbindungselemente 4 mit
den Bauteilen 2, 3 befindet sich diese in einem
fließfähigen Zustand, während die Fixierung
der Bauteile 2, 3 durch Aushärten der
Fixiermasse 6 erfolgt.
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Als
Fixiermasse 6 kann ein Klebstoff, bevorzugt ein mit Strahlung,
insbesondere mit UV-Strahlung härtbarer Klebstoff vorgesehen
sein. Alternativ kann als Fixiermasse 6 ein Lot, insbesondere Lötzinn,
verwendet werden.
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Während 1 die
Komponenten der Vorrichtung 1 vor Verbinden der Bauteile 2, 3 zeigt,
sind in 2 die über die Verbindungselemente 4 verbundenen
Bauteile 2, 3 dargestellt.
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Um
die Bauteile 2, 3 relativ zueinander justieren
und dann miteinander verbinden zu können, werden diese
in nicht dargestellten, positionsverstellbaren Halterungen gelagert.
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Die
Führungssegmente 4b werden in die Führungen 5 des
zweiten Bauteils 3 eingeführt. Stempel oder dergleichen,
welche Bestandteil der Halterung sind, ragen von unten in die Führungen 5 und
halten so die Führungssegmente 4b in vorgegebenen
Positionen innerhalb der Führungen 5. Weiterhin
wird das erste Bauteil 2 auf die Auflagefläche
der Verbindungselemente 4 aufgelegt. Durch Verschieben
des ersten Bauteils 2 auf den Auflageflächen kann
das erste Bauteil 2 in einer horizontalen (x-y-)Ebene relativ
zum zweiten Bauteil 3 justiert werden. Unabhängig
davon erfolgt eine Justage der Relativposition des ersten und zweiten
Bauteils 2, 3 in z-Richtung, das heißt
senkrecht zur Ebene der Auflageflächen, indem die Führungssegmente 4b der
Verbindungselemente 4 in den Führungen 5 verschoben werden.
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Sobald
die gewünschte Sollposition der Bauteile 2, 3 erhalten
ist, erfolgt die Fixierung der Bauteile 2, 3 an
den Verbindungselementen 4 durch Aushärten der
Fixiermasse 6.
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Prinzipiell
kann das Führungssegment 4b vorab auf die Verbindungselemente 4 aufgebracht werden,
bevor die Verbindungselemente 4 in Kontakt mit den Bauteilen 2, 3 gebracht
werden. Alternativ können die Verbindungselemente 4 zunächst
in Kontakt mit den Verbindungselementen 4 gebracht werden,
um dann die Bauteile 2, 3 relativ zueinander auszurichten.
Das Führungssegment 4b wird dann erst nach erfolgter
Justierung an die Nahtstellen zwischen den Bauteilen 2, 3 und
den Verbindungselementen 4 eingebracht. In den Bauteilen 2, 3 können hierzu
geeignete Bohrungen oder dergleichen vorgesehen sein, um das Führungssegment 4b an
den gewünschten Stellen einbringen zu können.
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Auch
die Verbindungselemente 4 können hierzu in geeigneter
Weise angepasst sein. 3 zeigt eine solche Abwandlung
eines Verbindungselements 4. Das Verbindungselement 4 gemäß 3 entspricht
in seiner Form dem Verbindungselement 4 gemäß den 1 und 2.
In Erweiterung hierzu sind an der Oberseite des Auflagesegments 4a,
das heißt an der Auflagefläche, identisch ausgebildete Noppen 4c vorgesehen.
Diese Noppen 4c bilden punktuelle Auflagen für
das erste Bauteil 2, so dass zwischen erstem Bauteil 2 und
der Auflagefläche ein schmaler Spalt entsteht, durch welchen
Fixiermasse 6 nachträglich in den Zwischenraum
zwischen erstem Bauteil 2 und der Auflagefläche
des Verbindungselements 4 eingeführt werden kann.
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4 zeigt
eine Variante der Vorrichtung 1 gemäß den 1 und 2.
Die Verbindungselemente 4 entsprechen exakt der Ausführungsform
gemäß den 1 und 2,
jedoch werden in diesem Fall die Unterseiten der Auflagesegmente 4a als
Auflageflächen für das erste Bauteil 2 genutzt.
Hierzu weist das erste Bauteil 2 Durchgangsbohrungen 7 auf,
welche von den Führungssegmenten 4b durchsetzt
werden. Wie aus 4 ersichtlich, durchsetzen die
Führungssegmente 4b diese Durchgangsbohrungen 7 und
ragen mit ihren unteren Randbereichen in die Führungen 5 des
zweiten Bauteils 3. Damit liegen die von den Unterseiten
der Verbindungselemente 4 gebildeten Auflageflächen
auf den Oberseiten des ersten Bauteils 2 auf. Wesentlich
ist, dass die Durchmesser der Durchgangsbohrungen 7 des
ersten Bauteils 2 erheblich größer sind
als die Durchmesser der Führungen 5 des zweiten
Bauteils 3. Während die Führungssegmente 4b damit
mit geringem oder ohne Spiel in den Führungen 5 gehalten
sind, liegen die Führungssegmente 4b der Verbindungselemente 4 mit
großem Spiel in den Durchgangsbohrungen 7, wodurch
das erste Bauteil 2 wieder in der x-y-Ebene relativ zum
ersten Bauteil 3 ausgerichtet werden kann. Die Ausrichtung
der Bauteile 2, 3 in z-Richtung erfolgt analog
zur Ausführungsform der 1 und 2 durch
Positionieren der Führungssegmente 4b in den Führungen 5.
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Die 5 und 6 zeigen
weitere Ausführungsformen von Verbindungselementen 4.
Das Verbindungselement 4 gemäß 5 weist
ein flächiges, plattenförmiges Führungssegment 4b auf.
An dem oberen Rand des Führungssegments 4b münden
in entgegengesetzter Richtung zwei Auflagesegmente 4a aus,
die eine identische Form aufweisen. Diese Auflagesegmente 4a verlaufen
in einer Ebene, die senkrecht zur Ebene des Führungssegments 4b orientiert
ist. Die Ober- oder Unterseite der Auflagesegmente 4a können
als Auflagefläche für das erste Bauteil 2 genutzt
werden. Die Auflageflächen verlaufen in einer gemeinsamen,
horizontalen Ebene. Das Führungssegment 4b des
Verbindungselements 4 wird wieder in eine Führung 5 des
zweiten Bauteils 3 eingeführt, wobei der Querschnitt
der Führung an den Querschnitt des Führungssegments 4b angepasst
ist.
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Das
Verbindungselement 4 gemäß 6 weist
ein plattenförmiges Auflagesegment 4a mit einer
rechteckigen Außenkontur auf. In der Mitte des Auflagesegments 4a befindet
sich eine Bohrung 8 um beispielsweise einen optischen Lichtweg
freizugeben. Das Verbindungselement 4 weist weiterhin vier identisch
ausgebildete Führungssegmente 4b auf. Die Führungssegmente 4b sind
an den Ecken des Auflagesegments 4a angeordnet und stehen
von der Unterseite des Führungssegments 4b jeweils
im rechten Winkel hervor. Die Führungssegmente 4b weisen
einen rechteckigen Querschnitt auf und werden in Führun gen 5 des
zweiten Bauteils 3 eingeführt, die an die Außenabmessungen
der Führungssegmente 4b angepasst sind.
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Auch
bei den Ausführungsformen gemäß den 5 und 6 können
an den Auflageflächen des oder der Auflagesegmente 4a Noppen 4c vorgesehen
sein.
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Die 7 und 8 zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zum
Verbinden eines ersten Bauteils 2 mit einem zweiten Bauteil 3.
Im Unterschied zur Vorrichtung 1 gemäß den 1 und 2 wird
in diesem Fall nur ein Verbindungselement 4 benötigt.
Das Verbindungselement 4 umfasst in diesem Fall ein hohlzylindrisches
Führungssegment 4b mit einem Außengewinde,
an dessen Oberseite ein kreisscheibenförmiges Auflagesegment 4a anschließt.
Der Hohlraum des Führungssegments 4b dient beispielsweise
zur Freigabe eines optischen Lichtwegs. Die Oberseite des Auflagesegments 4a,
an welchem optimal wieder Noppen 4c vorgesehen sein können,
bildet die Auflagefläche, auf welche das erste Bauteil 2 aufgelegt
und in der x-y-Ebene justiert werden kann. Das zweite Bauteil 3 weist
eine Führung 5 in Form einer Bohrung mit einem
Innengewinde auf. In diese Führung 5 wird das Führungssegment 4b des
Verbindungselements 4 eingeschraubt. Dabei kann die Position
des zweiten Bauteils 3 relativ zum ersten Bauteil 2 in
z-Richtung vorgegeben sein. Die Fixierung der Bauteile 2, 3 an dem
Verbindungselement 4 erfolgt wieder mittels der Fixiermasse 6,
die einerseits in den Zwischenraum zwischen Außengewinde
des Führungssegments 4b und des Innengewindes
der Führung 5 und anderseits zwischen Auflagefläche
und erstem Bauteil 2 eingeführt wird.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Bauteil
- 3
- Bauteil
- 4
- Verbindungselement
- 4a
- Auflagesegment
- 4b
- Führungssegment
- 4c
- Noppe
- 5
- Führung
- 6
- Fixiermasse
- 7
- Durchgangsbohrung
- 8
- Bohrung
- 9
- Bohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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