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Die Erfindung betrifft ein optisches Modul und ein Verfahren zu dessen Herstellung für eine Kameravorrichtung, wie bspw. eine sogenannte Board-Level-Kamera, bei der ein Objektivträger oder Objektivhalter unmittelbar mit der Leiterplatte des Bildsensorchips integriert ist.
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Ziel der Board-Level-Kamera ist eine leistungsstarke und preiswerte Plug-and-Play-Lösung, insbesondere für die automatisierte optische Überwachung in der Elektronik- und Halbleiterindustrie. Die kompakte Bauform, die kleiner als eine Kreditkarte sein kann, soll die Integration in viele Anlagen erleichtern. Mit dem erzielbaren geringen Gewicht ist die Kamera auch für Robotikanwendungen geeignet.
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Die Leiterplatte (Mini-Board) weist bei leistungsfähigen Bildsensoren (bspw. Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) Sensoren) eine Verlustleistung von ca. 1,8 W auf. Bei derart kleinen Abmessungen spielt das Wärmemanagement eine große Rolle und es stellt eine Herausforderung dar, möglichst effizient die Wärme von der Leiterplatte abzuleiten. Für eine gute Wärmeleitung ist eine große Kontaktfläche zwischen Leiterplatte und Frontteil (Objektivträger) vorteilhaft. Ferner sollte eine feste Verbindung zwischen Leiterplatte und Frontteil, ein staubdichter Sensorraum und eine hohe optische Genauigkeit der Board-Level-Kamera gewährleistet sein, wobei die Sensorpositionsgenauigkeit direkt von der Befestigung der Leiterplatte an dem Frontteil abhängig ist.
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Durch die kompakte Bauweise solcher Kameras ist jedoch die übliche Befestigungsmethode nicht anwendbar. Bei Board-Level-Kameras wird üblicherweise ein Objektivhalter aus Kunstsoff mit zwei oder vier Schrauben auf der den Bildsensor aufweisenden Leiterplatte befestigt. In die Leiterplatte sind üblicherweise vier Löcher eingebracht, durch die von vorn wie von hinten Schrauben gesteckt werden können.
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Die
WO 2013/117430 A1 offenbart eine Modulvorrichtung für ein Kamerasystem, mit einer Sensorhalterungseinrichtung mit einem vertikalen oberen Bereich und einem horizontalen Sockelbereich, an dem ein Bildsensor über eine wärmeleitende Zwischenschicht unter Druckbeaufschlagung mittels einer wärmeleitenden Blattfeder zur Ableitung der durch den Bildsensor produzierten Wärme befestigt ist. Die Blattfeder dient darüber hinaus auch zum Fixieren der Sensorhalterungseinrichtung über entsprechende Auflageelemente an einer Gehäuseeinrichtung.
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Ferner offenbart die
US 2014/0211083 A1 eine Kameravorrichtung mit austauschbarem Objektiv, bei der der Abstand zwischen Objektiv und Bildsensor mittels einer steuerbaren Antriebseinheit einstellbar ist und eine Leiterplatte mit Bildsensor über die Antriebseinheit an einem Objektivträger befestigt ist. Die Wärmeleitung erfolgt dabei über eine zusätzliche Wärmeabführplatte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Board-Level-Kamera bereitzustellen, bei der die Leiterplatte möglichst platzsparend, kostengünstig, montagefreundlich und sicher/fest an dem Objektivträger befestigt werden kann, wobei gleichzeitig die Verlustwärme der Elektronik gut abgeleitet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein optisches Modul nach Anspruch 1, eine Kameravorrichtung nach Anspruch 9 und ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 10.
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Dementsprechend wird die Leiterplatte über die wärmeleitende (z. B. metallische oder aus einem anderen wärmeleitenden Material hergestellte) nietartige Verbindung mit dem Objektivträger (bspw. ein Objektivträger aus Kunststoff) verbunden. Durch die wärmeleitende nietartige Verbindung wird zumindest ein direkter wärmeleitender Kontakt mit der Leiterplatte hergestellt und die nietartige Verbindung kann gleichzeitig als Anlage-/Kontaktfläche für die Befestigungselemente bei der Kamerabefestigung dienen, sodass ein optimaler Wärmetransport aus der Leiterplatte realisiert wird. Durch die vorgeschlagene Befestigung über die nietartige Verbindung können die Funktionen des Haltens der Leiterplatte, des Anschraubens der Kameravorrichtung (bei einer hohlen nietartigen Verbindung), des Befestigens der Leiterplatte am Kameragehäuse, des Bereitstellens von Befestigungsstellen für die Kamera und des Ableitens der Wärme in einem Bauteil vereint werden. Dadurch kann die neue Kamera sehr viel kleiner als herkömmliche Kameras gestaltet und ein vorteilhaftes Wärmemanagement/Kühlkonzept bereitgestellt werden.
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Ferner stellt das Vernieten gegenüber dem Verschrauben ein ergonomischeres und montagefreundlicheres Befestigungsmittel dar, da keine Werkzeuge geführt werden müssen. Auch bietet das Vernieten gegenüber dem Verschrauben einen sehr viel schnelleren und stabileren Befestigungsprozess. Schließlich kann das Vernieten im Gegensatz zum Verschrauben von der Unterseite ausgeführt werden. Dies erlaubt es, am Montageplatz der Kamera weitere Arbeitsschritte wie das Reinigen des Bildsensors auszuführen, für die der Sensor normalerweise nicht zugänglich wäre.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung kann die zumindest eine nietartige Verbindung einen rohrartigen Querschnitt aufweisen zum Durchführen einer Befestigungsschraube für die Befestigung der Kameravorrichtung aufweist. Somit kann die Leiterplatte mit Hohlnieten, Blindnieten, Rohrnieten, Einpresshülsen odgl. mit dem Objektivträger (bspw. ein Objektivträger aus Kunststoff) verbunden sein. Durch das verbleibende Loch im Niet kann dann eine Befestigungsschraube (bspw. der Größe M2 odgl.) gesteckt werden kann. Alternativ kann die nietartige Verbindung auch durch einen auf die Leiterplatte aufgesetzten Rahmen mit integrierten Einpressstiften gebildet werden.
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Die Niete können so angeordnet sein, dass sie in direktem metallischen bzw. wärmeleitendem Kontakt mit der Leiterplatte stehen und gleichzeitig als Anlage-/Kontaktfläche für die Befestigungselemente der Kameravorrichtung bei den Kunden, sodass ein optimaler Wärmetransport aus der Leiterplatte realisierbar ist.
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Vorzugsweise kann die nietartige Verbindung ein Innenschraubgewinde zum Einschrauben der Befestigungsschraube ausweisen. Dadurch kann die Nietverbindung direkt auch zur Befestigung der Kameravorrichtung bzw. des Kameraobjektivs an dem optischen Modul oder einem Befestigungselement für die Kameravorrichtung verwendet werden.
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Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung kann der Außenumriss der Leiterplatte in den Objektivträger eingepasst sein. Dadurch kann eine gute optische Genauigkeit erzielt werden, da die Leiterplatte formschlüssig an den Objektivträger befestigt werden kann.
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Gemäß einer dritten vorteilhaften Weiterbildung weist die Leiterplatte eine im Wesentlichen quadratische Form auf und ist an ihren Ecken über vier der nietartigen Verbindungen an dem Objektivträger befestigt.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
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1 von links nach rechts eine Vorder-, Seiten- und Rückansicht eines optischen Moduls einer Board-Level-Kamera gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 zwei perspektivische auseinandergezogene Ansichten aus schräg vorderer bzw. schräg rückwärtiger Richtung auf das optische Modul gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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3 eine Schnittansicht eines Abstandsbolzens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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4 eine Schnittansicht einer lötbaren Buchse gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
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5A und 5B eine Schnittansicht eines optischen Moduls mit Rohrnieten bzw. eine Seitenansicht einer Rohrniete gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
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6A und 6B eine Front-, Seiten- und Rückansicht auf ein optisches Modul mit Befestigungsrahmen mit Einpressstiften bzw. eine perspektivische Ansicht auf den Befestigungsrahmen gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel;
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7 von links nach rechts eine Seitenansicht sowie perspektivische Vorder- und Rückansichten eines mit der Rückseite an einem Befestigungselement befestigten optischen Moduls gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
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8 von links nach rechts eine Seitenansicht sowie perspektivische Vorder- und Rückansichten eines mit der Vorderseite an einem Befestigungselement befestigten optischen Moduls gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen; und
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9 von oben nach unten eine Seitenschnittansicht sowie zwei perspektivische auseinandergezogene Ansichten aus schräg rückwärtiger bzw. schräg vorderer Richtung auf das optische Modul gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zur Darstellung der Wärmeleitung.
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Gemäß den nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird eine Board-Level-Kamera mit modifizierter und dadurch effektiverer Befestigung der Leiterplatte an dem Objektivträger beschrieben.
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1 zeigt eine Vorder-, Seiten- und Rückansicht (von links nach rechts) eines optischen Moduls einer Board-Level-Kamera gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das optische Modul umfasst einem Objektivhalter oder Objektivträger 60 aus Kunststoff mit einem flanschartigen zylindrischen Ansatz 20 zum passgenauen Anschrauben eines Kameraobjektivs (nicht gezeigt). Der Objektivträger 60 weist Bohrungen, Sacklöcher oder Sacklochgewinde auf, in die metallische Hohlnieten 10 zum Fixieren einer Leiterplatte 50 eingepresst sind. Alternativ können auch Nieten oder Befestigungselemente mit einem Sackloch (keine Durchgangsbohrung) und Innengewinde verwendet werden. Die Befestigungsschrauben (z. B. für eine Kameramontage bei einem Kunden) werden dann nicht durchgesteckt, sondern die Kamera bzw. das Kameraobjektiv wird dann mittels der Innengewinde befestigt. Hierfür können bspw. Abstandsbolzen mit einem Innengewinde als Befestigungselemente verwendet werden. Innengewinde sind dabei sowohl an der Rückseite als auch an der Vorderseite der Kamera denkbar. Der Objektivträger 60 mit den Bohrungen 62 kann dabei einen Bereich aus Kunststoff (ca. 3 mm an der Vorderseite) für das Gewindeschneiden mittels handelsüblicher Schrauben nur an der Vorderseite aufweisen. Dadurch können die Kunden bzw. Nutzer die Kamera bzw. das Kameraobjektiv auf einfache Weise von der Vorderseite durch Einschrauben der Schrauben in den Kunststoffbereich ohne Durchführen der Schrauben befestigen.
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Wie aus der mittleren Seitenansicht und der rechten Rückansicht in 1 erkennbar ist, sind auf der Leiterplatte 50 verschiedene Bauelemente und integrierte Schaltungen für die elektronische Bilderfassung und -verarbeitung bspw. in Surface-Mounted Device (SMD) Technologie aufgebracht. Ferner weist die Leiterplatte einen Anschlussbereich 52 für eine Schnittstelle (USB, GigE odgl.) zur Datenübertragung und/oder Steuerung der Kamera. Die Kamera selbst kann bspw. als Peripherieelement für einen Rechner oder eine zentrale Einheit verwendet werden.
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Durch das Einpressen der metallischen Hohlnieten 10 kann eine metallische und damit wärmeleitende Kontaktierung der Leiterplatte 50 mit dem Kameraobjektiv über die Hohlnieten 10 und darin nach Montage des Kameraobjektivs bzw. der Kamera geführten Befestigungsschrauben (nicht gezeigt) erzielt werden.
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2 zeigt zwei perspektivische auseinandergezogene Ansichten aus schräg vorderer bzw. schräg rückwärtiger Richtung auf das optische Modul gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. In dieser auseinandergezogenen Darstellung (auch Explosionsansicht genannt) sind die Hohlnieten 10 mit den am äußeren Umfang vorgesehenen Fixierrillen gut erkennbar. Auch der als integrierter Schaltkreis oder Chip ausgestaltet Bildsensor 30 für die Bildaufnahme und zusätzliche Durchgangslöcher in der Leiterplatte 50 für die Hohlnieten 10 sind in der linken Ansicht von 2 gut erkennbar.
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Wie in 2 ferner erkennbar ist, kann die Innenwand der Bohrungen 62 des Objektivträgers 60 stegartige Wulste oder Rippen in axialer Richtung aufweisen, so dass eine bessere Fixierung der Hohlnieten 10 mittels deren Außenrillen gewährleistet ist. Die stegartigen axialen Wulste oder Rippen für die sichere feste Nietverbindung der Leiterplatte 50 mit dem Objektivträger 60 können auch nur so tief vorgesehen sein, wie es für die Niete nötig ist.
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Über die metallische und damit gut wärmeleitende Verbindung mittels der Hohlnieten 10 kann ein verbesserter Abtransport der in der Leiterplatte aufgrund der dortigen Verlustleistung entstehenden Wärme erreicht werden. Ferner stellt das Vernieten ein schnelleres, stabileres und montagefreundliches Befestigungsmittel dar und kann von der Unterseite ausgeführt werden. Dies erlaubt es, am Montageplatz der Kamera weitere Arbeitsschritte wie das Reinigen des Bildsensors auszuführen, für die der Sensor normalerweise nicht zugänglich wäre.
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Wie des Weiteren aus 2 ersichtlich ist, kann das optische Modul somit hergestellt werden durch Bereitstellen der Leiterplatte 50 mit Bildsensor 30 und weiteren Schaltungskomponenten. In den Objektivträger 60 werden die Bohrungen 62 eingebracht, die zur Befestigung eines Kameraobjektivs oder der Kamera und der Leiterplatte 50 dienen sollen. Die Leiterplatte 50 kann dann durch Einpressen oder Einpassen der metallischen Nieten 10 oder anderer metallischer nietartiger Verbindungen (wie bspw. Blindnieten, Rohrnieten, Einpresshülsen, Buchsen odgl.) in die Bohrung 62 an dem Objektivträger 60 befestigt werden. Dies führt dann zu einem automatischen metallischen und damit wärmeleitenden Kontaktieren der Hohlnieten 10 mit der Leiterplatte oder ein solches Kontaktieren kann durch ergänzende Maßnahmen wie bspw. Verlöten, Plattieren odgl. erreicht werden.
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Für den Fall, dass die Nietverbindung mittels hohler Nieten durchgeführt wird, kann das Kameraobjektiv oder die Kamera dann in einem weiteren Schritt mittels einer durch die dann vorhandene Durchgangsöffnung in der Nietverbindung hindurchgeführten oder geschraubten Befestigungsschraube an dem Objektivträger 60 oder einem Befestigungselement befestigt werden. Hierdurch kann der Wärmetransport dann zusätzlich über die Schraubverbindung zum Objektivträger erfolgen.
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Die Außenkontur der Leiterplatte 50 kann optional in eine entsprechende Aussparung des Objektivträgers 60 eingepasst sein, so dass eine gute optische Ausrichtung erzielt wird. Dies ist bspw. im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 erkennbar.
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Es sind verschiedenste alternative nietartige Befestigungslösungen zur Wärmeableitung denkbar.
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3 zeigt eine Schnittansicht eines Abstandsbolzens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der Abstandsbolzen weist eine Sechskantkopf mit Innenbohrung und ein schmaleres zylindrisches Fußteil zum Einführen in die Bohrung des Objektivträgers 60 auf. Alternativ kann auch eine Abstandsniete verwendet werden. Durch Verwendung eines solchen Abstandsbolzen oder Abstandnieten kann beim Anschrauben von Befestigungselementen ein vorbestimmter Abstand über der Leiterplatte 50 sichergestellt werden.
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4 zeigt eine Schnittansicht einer lötbaren Buchse gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Hier wird die Leiterplatte 50 mittels einer nietartigen Buchse mit Innengewinde befestigt. Der Befestigungsvorgang kann bspw. durch eine automatisch bestückbare und lötbare Buchse vereinfacht werden. Dadurch kann die zur Befestigung des Kameraobjektivs oder der Kamera verwendete Befestigungsschraube direkt in die Buchse eingeschraubt werden.
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Alternativ kann die Leiterplatte 50 auch mittels einer nietartigen Buchse mit gewindeloser Bohrung befestigt werden. Hier kann die zur Befestigung des Kameraobjektivs oder der Kamera verwendete Befestigungsschraube nur durch die gewindelose Buchse geführt werden und muss an anderer Stelle festgeschraubt werden.
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5A und 5B zeigen eine Schnittansicht eines optischen Moduls mit Rohrnieten 10 bzw. einer einzelnen Rohrniete 10 mit Innengewinde gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Wie in 5A erkennbar ist, muss sich die Rohrniete 10 nicht über die gesamte Durchgangsbohrung des Objektivträgers 60 erstrecken. Der Wärmeleitungskontakt kann dann auch über die von der anderen Seite eingeschraubte Befestigungsschraube (nicht gezeigt) des Kameraobjektivs oder anderer Befestigungselemente erzielt werden. Als Alternative kann die Leiterplatte 50 auch mittels einer nietartigen Einpressbuchse mit oder ohne Innengewinde befestigt werden. Die Einpressbuchse hat eine größere Stirnfläche, so dass eine vereinfachte Druckbeaufschlagung zum Einpressen möglich ist.
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6A und 6B zeigen eine Front-, Seiten- und Rückansicht auf ein optisches Modul mit Befestigungsrahmen 70 mit Einpressstiften 72 bzw. eine perspektivische Ansicht auf den Befestigungsrahmen gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. Der Befestigungsrahmen kann als Spritzkunststoffteil aus einem gut wärmeleitenden Kunststoff hergestellt werden, wobei die integrierten Einpressstifte 72 nachträglich befestigt werden oder unmittelbar in der Spritzgussform vorhanden sein können. Wie in 6A erkennbar ist, weist der Befestigungsrahmen 70 auch Aussparungen für den Anschlussbereich 52 auf, so dass dieser nach der Montage des Befestigungsrahmens 70 zugänglich bleibt. Die Einpressstifte 72 des Befestigungsrahmens 70 werden durch entsprechende Bohrungen in der Leiterplatte 50 hindurch in den Objektivträger 60 eingepresst, so dass die Leiterplatte 50 zwischen den Objektivträger 60 und den Befestigungsrahmen 70 geklemmt wird. Durch die optionalen Aussparungen an den Ecken des Befestigungsrahmens 70 bleiben weitere Bohrungen des Objektivträgers 60 auch von der Leiterplattenseite aus zugänglich.
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7 und 8 zeigen Montagemöglichkeiten des optischen Moduls an einem Befestigungselement 80 (bspw. ein Blech, eine Platte, odgl.) zur Erzielung einer guten Wärmeableitung von der Leiterplatte 50.
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7 zeigt eine Seitenansicht sowie perspektivische Vorder- und Rückansichten eines mit der Rückseite an dem Befestigungselement 80 befestigten optischen Moduls gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen. Das Befestigungselement 80 kann zur Befestigung des optischen Moduls bzw. der Kamera in einem Nutzergerät bzw. einer Nutzeranlage dienen. Die Wärme wird über die nietartige Verbindung gemäß den vorgenannten Ausführungsbeispielen direkt in das Befestigungselement 80 abgeleitet. Die vorgeschlagene Lösung ist daher sehr platzsparend, weil die Befestigungsstellen der Kamera und die Wärmetransportwege vereinigt sind.
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8 zeigt eine Seitenansicht sowie perspektivische Vorder- und Rückansichten eines mit der Vorderseite an dem Befestigungselement 80 befestigten optischen Moduls gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen. Hier wird die Wärme über die nietartige Verbindung gemäß den vorgenannten Ausführungsbeispielen zur Vorderseite in die Befestigungsschrauben für die Kamera abgeleitet. Auch diese Lösung ist sehr platzsparend, weil die Befestigungsstellen der Kamera auch hier vereinigt sind.
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9 zeigt eine Seitenschnittansicht sowie zwei perspektivische auseinandergezogene Ansichten aus schräg rückwärtiger bzw. schräg vorderer Richtung auf das optische Modul gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zur Darstellung der Wärmeleitung. Die Leiterplatte weist auf der oberen Seite eine erste Metallisierung 54 (z. B. Kupferlage) als ringförmige Kontaktflächen für die Nieten (die angelötet oder angepresst sind) auf, so dass sich ein erster Wärmetransportpfad aus der Leiterplatte in die Nieten ergibt. Des Weiteren weist die Leiterplatte eine auf der dem Objektträger zugewandten unteren Seite eine zweite Metallisierung 56 (z. B. Kupferlage, auch mehrlagig) für den Objektivträger auf, so dass sich ein zweiter Wärmetransportpfad aus der Leiterplatte direkt in den Objektivträger ergibt.
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Wie in der Schnittansicht auf der linken Seite von 9 mittels Pfeilen angedeutet ist, findet eine Wärmeableitung einerseits von der unteren Seite der Leiterplatte zum Objektivträger statt und andererseits von der Leiterplatte zur jeweiligen Niete und von der jeweiligen Niete zum Objektivträger. Somit ist die Leiterplatte mittels der ersten und zweiten Metallisierung 54 und 56 an die metallisierten Auflage- bzw. Kontaktflächen gut wärmeleitend angebunden, um dadurch eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen.
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Die vorgestellten Lösungsalternativen gemäß den Ausführungsbeispielen können im Zusammenhang mit verschiedensten Bildaufnahmegeräten und Kameravorrichtung eingesetzt werden, bei denen eine Leiterplatine direkt mit einem Objektivträger integriert ist. Selbstverständlich sind auch andere Befestigungslösungen mit weniger Nietverbindungen durch Kombination mit anderen Fixier- oder Rastmitteln denkbar und im Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche enthalten. Auch kann eine ausreichende Wärmeabfuhr durch Vollnieten erzielt werden, sofern diese auch kameraseitig mit metallischen oder wärmeleitenden Flächen oder Komponenten kontaktiert sind.
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Zusammenfassend wurden ein optisches Modul und ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben, zur Verwendung für eine Kameravorrichtung, mit einer Leiterplatte 50 mit Bildsensor 30 und einem zur Befestigung eines Kameraobjektivs der Kameravorrichtung vorgesehenen Objektivträger 60, wobei der Objektivträger 60 zumindest eine Bohrung 62 zur Befestigung der Kameravorrichtung aufweist, wobei die Leiterplatte 50 mittels zumindest einer in eine Bohrung 62 des Objektivträgers 60 eingepassten warmleitenden nietartigen Verbindung 10 an dem Objektivträger 60 befestigt ist, und wobei die nietartige Verbindung 10 mit der Leiterplatte 50 wärmeleitend (z. B. metallisch oder über ein wärmeleitendes Material) kontaktiert ist. Die Leiterplatte 50 kann somit mittels wärmeleitender nietartiger Verbindungen (bspw. Hohlnieten) mit dem Objektivträger (bspw. Objektivträger aus Kunststoff) verbunden werden. Falls die nietartige Verbindung als Einpresshülse, Blindniete, Hohlniete odgl. ausgestaltet ist, verbleibt ein Loch in der Verbindung, durch das eine Befestigungsschraube für die Kameravorrichtung geführt werden kann. Durch die wärmeleitende Ausführung der nietartigen Verbindung 10 kann ein optimaler Wärmeabtransport von der Leiterplatte 50 realisiert wird.
