DE3829067A1 - Verfahren zum einpassen einer kugellinse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer gasdichten und hochpräzisen Einpassung einer Kugellinse in eine Bohrung innerhalb eines metallischen Körpers.

Bei der Ankopplung eines Lichtwellenleiters an ein anderes optisches Bauelement kann es von Vorteil sein, nicht die Stirnfläche des Lichtwellenleiters möglichst nahe an das andere optische Bauelement heranzubringen, sondern einen gewissen Abstand zwischen der Faserstirnfläche und dem optischen Bau­ element vorzusehen und in den Zwischenraum eine Linse einzusetzen, die für eine möglichst gute Koppelung d. h. eine möglichst geringe Dämpfung der Lichtintensität an der Koppelstelle sorgen soll. Oft ist es bei der Herstellung einer solchen Koppelung wichtig, daß mindestens eines der beiden zu koppelnden Elemente in einem gasdicht abgeschlossenen Raum untergebracht ist. Es soll dadurch unter anderem verhindert werden, daß das Element mit Feuchtigkeit in Berührung kommt. Zum Beispiel soll bei der Ankopplung eines Lichtwellenleiters an eine lichtemittierende Diode diese besonders geschützt werden. Dementsprechend muß die Linse, die sich zwischen der Leuchtdiode und der Faserstirnfläche befindet, in die Wand des Gehäuses, das die Leuchtdiode gasdicht einschließt, hermetisch dicht eingepaßt sein.

Eine solche hermetisch dichte Einpassung einer Linse ist aus der europäischen Patentanmeldung EP-A2 01 91 328 bekannt. Dort ist beschrieben, daß eine Kugellinse mit einem Ring rundum hermetisch dicht eine Verwachsungszone bildet und daß der Ring hermetisch dicht in die Wand eines Gehäuses eingesetzt ist. Das Gehäuse enthält eine Photodiode oder eine Laserdiode, die über die eingesetzte Linse an einen Lichtwellenleiter angekoppelt werden soll. Die Herstellung der gasdichten Verbindung zwischen der Linse einerseits und dem Gehäuse andererseits ist fertigungs­ technisch sehr aufwendig.

Eine weitere Möglichkeit, eine Linse in eine Gehäusewand einzusetzen, wird in der amerikanischen Patentschrift US-PS 39 50 075 beschrieben. Eine Glaslinse ist nach dieser Druckschrift in einen Kunststoffring eingesetzt, dessen Innendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser der Linse, so daß die Linse den Ring deformiert. Durch die Elastizität des Ring­ materials soll eine gasdichte Verbindung entstehen. Es hat sich gezeigt, daß die Langzeitstabilität der Dichtigkeit dieser Verbindung unbefriedigend ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hermetisch dichte Einpassung einer Linse in eine metallische Gehäusewänd zu realisieren, bei der eine langfristig zuverlässige Dichtig­ keit gegeben ist, ohne daß der Fertigungsaufwand das vertret­ bare Maß übersteigt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der metallische Körper mit einer zylindrischen Öffnung versehen wird, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Kugellinse und daß die Kugellinse axial in die Öffnung eingepreßt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß einerseits durch die elastischen Kräfte des metallischen Körpers auf die Kugellinse und durch das dichte Anschmiegen des Metalls an die Kugellinse infolge der plastischen Verformung des Metalls eine gasdichte Verbindung zwischen dem Körper und der Kugellinse hergestellt wird und daß andererseits diese Verbindung auch langfristig zuverlässig gasdicht bleibt, da eine Alterung des Materials der Kugellinse oder des metal­ lischen Materials nicht zu erwarten ist.

Die Erfindung kann dadurch ausgestaltet werden, daß die Kugel­ linse aus Saphir besteht.

Die Verwendung von Saphir als Material für die Kugellinse stellt sicher, daß die Kugellinse beim Einpressen in den metallischen Körper nicht zerstört wird. Die Kugellinse kann aus synthetischem Saphir hochpräzise hergestellt werden.

Weiterhin kann das Verfahren dadurch ausgestaltet werden, daß der metallische Körper aus Edelstahl besteht und daß er mit einer zylindrischen Öffnung in Form einer Bohrung versehen wird, deren Durchmesser bei höchstens 98%, insbesondere zwischen 96% und 97% des Durchmessers der Kugellinse liegt.

Wenn der metallische Körper aus Edelstahl hergestellt wird, so läßt er sich besonders präzise bearbeiten und ist sehr widerstandsfähig gegen mechanische Beanspruchung wie Abrieb oder Verletzung durch Stöße. Wenn als Kugellinse eine Saphir­ kugellinse verwendet wird, kann der Durchmesser der Bohrung in dem metallischen Körper sehr viel kleiner sein als der Durch­ messer der Kugellinse, ohne daß die Kugellinse beim Einpressen in die Bohrung zerstört wird, da die Saphirkugel auch die Ein­ wirkung großer Kräfte schadlos übersteht. Als besonders günstig hat sich erwiesen, den Durchmesser der Bohrung zwischen 96% und 97% des Durchmessers der Saphirkugellinse zu wählen, da in diesem Bereich eine zuverlässige Dichtigkeit der Verbindung zwischen Kugellinse und metallischem Körper durch die plastische Verformung des Metalls in Verbindung mit den elastischen Kräften gegeben ist und da die Kräfte, die nötig sind um die Kugellinse in die Bohrung einzupressen, noch gut handhabbar sind. Der Durchmesser der Bohrung sollte 98% des Kugellinsendurchmessers nicht übersteigen, da oberhalb dieses Wertes bei der Fertigung vereinzelt Undichtigkeiten in der Verbindung auftreten.

Das Verfahren kann auch so ausgestaltet sein, daß in den metallischen Körper zunächst eine Bohrung eingebracht wird, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Kugellinse und daß in die Bohrung innerhalb des metallischen Körpers eine Hülse aus einem weich-duktilen metallischen Material, insbe­ sondere aus Neusilber oder einer härtbaren Aluminiumlegierung gasdicht eingepreßt wird, deren Innendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Kugellinse sowie daß in die Hülse eine Kugellinse aus Glas oder Saphir axial eingepreßt wird.

Diese Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, daß die Kugellinse in die Bohrung innerhalb eines relativ weichen metallischen Körpers eingepreßt wird. Dadurch sind die Kräfte, die auf die Kugellinse während des Einpreßvorgangs einwirken, relativ gering im Vergleich zu den Kräften, die beim Einpressen in die Bohrung innerhalb eines Edelstahlkörpers wirken. Dadurch sinkt bei Kugellinsen aus Glas die Bruchgefahr beim Einpressen.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß die Hülse in dem Fall, daß sie aus Neusilber besteht, einen Innen­ durchmesser aufweist, der zwischen 97% und 99% des Durch­ messers der Kugellinse liegt und daß in dem Falle, in dem die Hülse aus Aluminium besteht, der Innendurchmesser der Hülse zwischen 97% und 98,5% des Durchmessers der Kugellinse liegt.

Die genannten Bereiche für das Verhältnis von Innendurchmesser der Hülse zum Außendurchmesser der Kugellinse gewährleisten eine maximale Ausbeute an zuverlässig gasdichten Einpassungen im Fertigungsprozeß. Liegt der Innendurchmesser der Hülse unterhalb des unteren angegebenen Grenzwertes, so werden die Kräfte auf die Kugellinse beim Einpressen in die Bohrung so groß, daß bei Verwendung einer Glaslinse das Zerbrechen der Linse zu befürchten ist. Wird der Innendurchmesser der Hülse oberhalb der oberen angegebenen Grenze gewählt, so sind die elastischen Kräfte, die durch das Material der Hülse auf die Kugellinse nach der plastischen Verformung des Metalls durch das Einpressen einwirken, nicht genügend groß, um die Dichtigkeit der Verbindung zu gewährleisten. Die wirkenden elastischen Kräfte müssen so groß sein, daß auch kleine Unebenheiten auf der Oberfläche der Kugellinse sowie an der Innenfläche der Bohrung ausgeglichen werden.

Das Verfahren kann weiterhin dadurch ausgestaltet werden, daß die Innenfläche der Öffnung in dem metallischen Körper, in die die Kugellinse eingepreßt wird, mit einer Reibahle auf den gewünschten Innendurchmesser ausgerieben wird.

Mit einer Reibahle kann die Innenfläche der Öffnung leicht mit der erforderlichen Genauigkeit bearbeitet werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Innenfläche der Öffnung in dem metallischen Körper, in die die Kugellinse eingepreßt wird, vor dem Einpressen der Kugellinse gehont wird.

Eine solche Bearbeitung der Innenfläche der Öffnung läßt sich mit der geforderten Genauigkeit auch mit Hilfe einer auto­ matischen Vorrichtung vornehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgestaltet werden, daß durch die Öffnung in dem metallischen Körper vor dem Einpressen der Kugellinse eine Kalibrierkugel hindurchge­ preßt wird, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Kugellinse und größer als der Innendurchmesser der Öffnung.

Durch das Hindurchpressen der Kalibrierkugel wird die Innenfläche der Bohrung oder der Hülse auf ein genau definiertes Maß gebracht und die Innenfläche der Bohrung oder der Hülse wird geglättet. Dadurch werden die für die Dichtigkeit der Verbindung erforderlichen elastischen Kräfte vermindert. Der Innendurchmesser der Bohrung oder der Hülse kann bei einer guten Oberflächenbeschaffenheit etwas größer gewählt werden als bei einer schlechten Oberflächenbeschaffen­ heit, wobei der Durchmesser natürlich unterhalb des Außendurch­ messers der Kugellinse bleiben muß. Dadurch werden die zum Einpressen der Kugellinse in die Bohrung oder die Hülse er­ forderlichen Kräfte verringert. Es sinkt die Gefahr, die Kugellinse beim Einpressen zu beschädigen.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Einpreßbewegung durch einen Sensor kontrol­ liert wird, der von dem Ende der Öffnung her in die Öffnung hineinragt, auf das sich die Kugellinse während des Einpressens zubewegt und der bei einer definierten axialen Lage der Kugel­ linse innerhalb der Öffnung ein Signal abgibt, das zum Ab­ stoppen der Einpreßbewegung der Kugellinse führt.

Durch die Verwendung eines solchen Sensors kann die Kugellinse mit der erforderlichen Genauigkeit repoduzierbar an der rich­ tigen Stelle innerhalb der Öffnung auf 5 µm genau positioniert werden. Das Einpressen der Kugellinse kann mit Hilfe eines solchen Sensors auch durch eine automatische Vorrichtung geschehen. Die Lage der Kugellinse ist deshalb besonders wichtig, weil es darauf ankommt, eine besonders effiziente Übertragung des Lichtes von der optischen Faser auf das optische Bauelement oder umgekehrt zu erreichen. Die Effizienz dieser Koppelung ist stark abhängig von der Lage der Kugellinse zwischen den zu koppelnden Elementen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels beschrieben.

Dabei zeigt

Fig. 1 im Querschnitt eine Edelstahlkupplung mit eingepreßter Kugellinse in stark vergrößertem Maßstab,

Fig. 2 eine Edelstahlkupplung mit eingepreßter Aluminium­ hülse und Kugellinse im Querschnitt in stark ver­ größertem Maßstab.

Fig. 1 zeigt eine Edelstahlkupplung 3, die mit einer zylindrischen Bohrung 5 versehen ist. Die Innenfläche 6 der Bohrung 5 wird durch eine geeignete Bearbeitung wie Ausreiben oder Honen geglättet. Die Kugellinse 1, die aus Saphir besteht, wird durch den Stempel 8 in die Bohrung 5 soweit hineingepreßt, bis der Sensor 7 anspricht und ein Signal ab­ gibt, das zum Abstoppen des Einpreßvorgangs führt. Der Sensor 7 kann ein optisch oder mechanisch arbeitender Sensor sein. Die Bohrung 5 in der Edelstahlkupplung 3 weist in dem Bereich, den die eingepreßte Kugellinse durchlaufen hat, einen größeren Durchmesser auf als in dem Bereich, den die Kugellinse nicht durchlaufen hat. Die Bohrung 5 kann vor dem Einpressen der Kugellinse von einer Kalibrierkugel durchlaufen werden, die die Bohrung auf das richtige Maß bringt und die Wände der Bohrung glättet. Die Kupplung wird auf der einen Seite mit dem Gehäuse einer Leuchtdiode gasdicht verbunden. Auf der anderen Seite wird der Steckerstift eines Lichtwellenleiterendes in die Kupplung eingesteckt. Das Abstoppen des Einpreßvorgangs mit Hilfe des Sensors 7 gewährleistet eine Genauigkeit der Lage der Kugellinse 1 in axialer Richtung, die ausreicht, um eine optimale Abbildung zwischen der Stirnfläche des Lichtwellen­ leiters und dem anzukoppelnden optischen Bauelement zu erreichen. In radialer Richtung wird die Kugellinse 1 innerhalb der Bohrung 5 beim Einpressen automatisch zentriert. Die elastischen Kräfte, die von der teils plastisch, teils elastisch deformierten Innenwand der Bohrung 5 auf die Kugellinse 1 ausgeübt werden, sind praktisch unabhängig vom Alter der Anordnung und sorgen auch bei Temperaturen von bis zu 200°C für eine zuverlässige Dichtigkeit. Zwar nehmen die elastischen Kräfte, die die Innenfläche der Bohrung auf die Kugellinse ausüben, bei erhöhter Temperatur ab, doch wachsen diese Kräfte wieder bei Abkühlung der Anordnung. Wenn die Kräfte die Fließgrenze des Metalls erreichen, tritt plastische Verformung ein, so daß die elastischen Kräfte sich verringern.

Fig. 2 zeigt eine Edelstahlkupplung 3, die eine Bohrung 10 aufweist, in die eine Aluminiumhülse 4 gasdicht eingepreßt ist. Die Bohrung 10 ist an einem Ende der Edelstahlkupplung 3 zu einer größeren Bohrung 9 erweitert. Das Einpressen der Aluminium­ hülse 4 in die erweiterte Bohrung 9 in der Edelstahlkupplung 3 geschieht vorzugsweise ohne spanabhebende Wirkung. Zu diesem Zweck weist die Edelstahlkupplung 3 eine Abschrägung 11 auf. Die eventuell durch die Spanabhebung hervorgerufenen Riefen in den Materialoberflächen könnten Undichtigkeiten zur Folge haben. Die Innenfläche der Hülse 4 wird nach dem Einfügen in die Edelstahlkupplung 3 bearbeitet. Erst nach dem Einpressen der Hülse 4 hat es einen Sinn, ihren Innendurchmesser auf das geforderte Maß zu bringen, da sich die Hülse beim Einpressen in die Edelstahlkupplung unter Umständen noch verformt. Danach wird die Kugellinse in die Öffnung 2 der Hülse eingepreßt. Wenn die Hülse 4 aus einem relativ weichen Material wie Aluminium oder Neusilber besteht, kann die Kugellinse aus Glas bestehen. Es kann auch in diesem Fall eine Saphirkugel verwendet werden. Die Edelstahlkupplung 3 mit der gasdicht eingepaßten Kugellinse 1 ist auf der einen Seite mit einem geschlossenen Gehäuse für ein optoelektronisches Halbleiterbauelement hermetisch dicht verbunden. Am anderen Ende weist die Kupplung einen präzisen Anschlag auf, der es erlaubt, Lichtwellenleiter-Steckerstifte mit der erforderlichen Genauigkeit in der Kupplung zu positionieren.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen einer gasdichten und hochpräzisen Einpassung einer Kugellinse in eine Bohrung innerhalb eines metallischen Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Körper (3) mit einer zylindrischen Öffnung (2, 5) versehen wird, deren Durchmesser kleiner ist als der Durch­ messer der Kugellinse (1) und daß die Kugellinse (1) axial in die Öffnung (2, 5) eingepreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugellinse (1) aus Saphir besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Körper (3) aus Edelstahl besteht und daß er mit einer zylindrischen Öffnung in Form einer Bohrung (5) versehen wird, deren Durchmesser bei höchstens 98%, insbesondere zwischen 96% und 97% des Durchmessers der Kugellinse (1) liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den metallischen Körper (4) zunächst eine Bohrung (9) eingebracht wird, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Kugellinse (1) und daß in die Bohrung (9) innerhalb des metallischen Körpers (3) eine Hülse (4) aus einem weich-duktilen metallischen Material, insbesondere aus Neusilber oder einer härtbaren Aluminiumlegierung gasdicht eingepreßt wird, deren Innendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Kugellinse (1) sowie daß in die Hülse (4) eine Kugellinse (1) aus Glas oder Saphir axial eingepreßt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (4) in dem Fall, daß sie aus Neusilber besteht, einen Innendurchmesser aufweist, der zwischen 97% und 99% des Durch­ messers der Kugellinse (1) liegt und daß in dem Falle, in dem die Hülse (4) aus Aluminium besteht, der Innendurchmesser der Hülse (4) zwischen 97% und 98,5% des Durchmessers der Kugellinse (1) liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche (6) der Öffnung (2, 5) in dem metallischen Körper, in die die Kugellinse (1) eingepreßt wird, mit einer Reibahle auf den gewünschten Innendurchmesser ausgerieben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche (6) der Öffnung (2, 5) in dem metallischen Körper, in die die Kugellinse (1) eingepreßt wird, vor dem Einpressen der Kugellinse (1) gehont wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Öffnung (2, 5) in dem metallischen Körper vor dem Einpressen der Kugellinse (1) eine Kalibrierkugel hindurchgepreßt wird, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Kugellinse (1) und größer als der Innen­ durchmesser der Öffnung (2, 5).

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Einpreßbewegung durch einen Sensor (7) kontrolliert wird, der von dem Ende der Öffnung (2, 5) her in die Öffnung (2, 5) hineinragt, auf das sich die Kugellinse (1) während des Einpres­ sens zubewegt und der bei einer definierten axialen Lage der Kugellinse (1) innerhalb der Öffnung (2, 5) ein Signal abgibt, das zum Abstoppen der Einpreßbewegung der Kugellinse (1) führt.