KR102675905B1 - 유리 요소를 지지체 요소에 완전하게 결합시키는 방법 및 광학 장치 - Google Patents
유리 요소를 지지체 요소에 완전하게 결합시키는 방법 및 광학 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 유리 요소를 지지체 요소에 완전하게 결합시키는 방법(100)에 관한 것이며, 본 방법(100)은 적어도 하나의 접촉 요소를 지지체 요소의 표면 내의 접촉 오목부 내로 삽입하는 단계 105를 포함한다. 또한, 본 방법(100)은 유리 요소를 접촉 요소 중 일부 상에 배치하는 단계 110(여기서, 일부는 표면 밖으로 돌출됨) 및 유리 요소를 접촉 요소를 통해 지지체 요소에 연결하기 위해 접촉 요소를 국소적으로 가열하는 단계 115를 포함한다. 본 방법(100)은 또한 삽입 단계 105 전에 접촉 오목부(310) 중 적어도 일부를 분리층(315)으로 코팅하는 단계 210을 포함한다.
Description
본 접근법은 유리 요소를 캐리어 요소에 완전하게 결합시키는 방법 및 광학 장치에 관한 것이다.
독일 특허출원공개 DE 10 2016 213 561 A1호는 유사한 팽창 계수를 갖는 재료들을 결합, 납땜, 또는 용접에 의해 연결하는 방법을 기술하고 있다.
일본 특허출원공개 JP2005300976A호는 광학 구성요소를 캐리어 요소에 연결하는 방법을 개시하고 있다. 단점은 상기 방법의 공정 안정성이 특정 재료 조합 시 보장되지 않는다는 것이다.
국제공개 WO2006/034775A1호는 영-팽창 재료로 제조된 복합 구조 및 이러한 구조의 제조 방법을 개시하고 있으며, 단점은 접착층의 사용이다. 이는 노화로 인해 구성요소가 파손될 수 있다.
이를 염두에 두고, 본 접근법은 주요 청구항에 따른 유리 요소를 캐리어 요소에 완전하게 결합시키는 방법 및 광학 장치를 제시한다. 이로운 실시형태는 각각의 종속 청구항 및 다음의 설명으로부터 도출된다.
포지셔닝 장치 또는 고정밀 길이 또는 각도 측정 장치와 같은 물체의 경우, 편평한 유리 표면은 세라믹 캐리어에 단단하게 연결되는 것이 필요하다. 동시에, 구성요소는 이들의 가공, 제조, 및 수송 동안 온도 변동에 노출될 수 있다. 본원에 제시된 접근법에 의해, 유리 및 세라믹의 견고하고, 무-접착제 연결이 실현될 수 있으며, 이는 실온 또는 또 다른 예정된 작동 온도에서의 작동 동안 심지어 공정 또는 수송 관련 가열 후에도 편평한 표면을 가질 수 있다.
유리 요소를 캐리어 요소에 완전하게 결합하는 방법이 제시되며, 본 방법은 적어도 하나의 접촉 요소를 캐리어 요소의 표면 내의 접촉 오목부 내로 삽입하는 단계를 갖는다. 또한, 본 방법은 유리 요소를 표면 상부에 돌출된 접촉 요소 중 일부 상에 배치하는 단계 및 유리 요소를 접촉 요소를 통해 캐리어 요소에 연결하기 위해 접촉 요소를 국소적으로 가열하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 유리 요소는 티타늄 도핑된 석영 유리일 수 있으며, 이는 예를 들어 대략 20 중량% 이하의 TiO2 함량을 가질 수 있다. 또한, 유리 요소의 열 팽창(CTE) 평균 선형 계수는 95%의 신뢰 수준으로 5℃에서 35℃까지 예를 들어 0 ± 30 ppb/℃(ppb 백만부)일 수 있다. 이는 예를 들어 초저 팽창 유리의 경우에 그러하다. 캐리어 요소는 예를 들어 탄화규소(SiC)로 제조된 세라믹 캐리어 또는 금속 캐리어일 수 있다. 캐리어 요소의 기타 재료는 예를 들어 모노결정질 또는 폴리결정질 고체, 예컨대 규소(Si), 게르마늄, 사파이어, 다이아몬드, 또는 석영 유리 또는 규소와 탄화규소의 혼합물(Si/SiC), 특히 반응 결합된, 규소 침투된 탄화규소 재료 또는 탄화붕소 B4C 또는 규소 침투된 탄화붕소(SiB4C) 또는 AlN 또는 Al2O3일 수 있다. 유리 요소를 예를 들어 풀칠 또는 납땜에 의해 캐리어 요소에 연결할 때, 임의의 유기 접착제는 이의 전형적인 수축 및 열 팽창 특성을 탄화규소와 유리의 강성 및 저팽창 구조에 전달할 수 있다. 특히 매우 낮은 열 팽창 계수를 갖는 유리, 예를 들어 초저 팽창 유리 및 Si/SiC 세라믹의 직접적 용접은 일산화탄소 형성 및 추가적으로 또는 대안적으로 이산화탄소 형성으로 인해 문제가 많거나, 심지어 실현 가능하지 않을 수 있다. 따라서, 본 방법에 제시된 삽입 단계는 먼저 예를 들어 유리로부터 설계될 수 있으며 따라서 유리 다월(glass dowel)로도 지칭될 수 있는 접촉 요소를 캐리어 요소 내의 접촉 오목부 내로 도입시킨다. 예를 들어, 접촉 요소는 유리 요소와 동일한 재료 또는 유리 요소보다 더 낮은 용융 온도를 갖는 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 접촉 요소는 또한 유리 땜납체, 즉, 유리 땜납의 형상화된 조각, 이롭게는 저용융 땜납 유리로 설계될 수 있으며, 안정한 유리 땜납이 이롭게는 사용될 수 있다. 유리 땜납을 결정화하는 것과 대조적으로, 안정한 유리 땜납은 통상적인 유리와 같이 행동할 수 있다. 땜납 조인트가 재가열될 때, 이의 연화는 이전의 납땜 공정에서와 동일한 온도 의존성을 나타낼 수 있다. 이롭게는, 접촉 요소는 유리 요소보다 더 낮은 연화 온도를 가질 수 있다. 본원에 제시된 방법에서, 이러한 접촉 요소 또는 유사한 접촉 요소가 사용되어 캐리어 요소와 유리 요소 사이의 연결을 만든다. 이러한 목적을 위해, 유리 요소는 캐리어 요소의 표면 상부에 돌출된 접촉 요소 또는 몇몇이 존재하는 경우, 접촉 요소들 중 일부 상에 배치되며, 공기 간극이 캐리어 요소의 표면과 유리 사이에 존재한다. 따라서, 국소적 가열 단계에서, 유리 요소는 단독 접촉 요소를 통해 또는 몇몇의 접촉 요소들이 제공되는 경우, 접촉 요소들을 통해 실질적인 결합으로 캐리어 요소에 연결될 수 있다. 이롭게는, 이는 강하게, 실질적으로 결합되도록 하며, 동시에 무-접착제 연결이 예를 들어 유리와 세라믹 사이에 생성되도록 한다. 국소적 가열 단계에서, 접촉 요소로부터의 용융된 재료는 유리 요소를 습윤시켜서 납땜 공정의 의미에서 연결을 생성할 수 있다. 이는 또한 용접 공정의 의미에서 연결을 생성하기 위해 접촉 재료의 용융된 재료가 유리 요소의 국소적으로 용융된 재료와 결합할 수 있다. 몇몇의 접촉 요소들이 제공되는 경우, 국소적 가열 단계는 차례로 각각 접촉 요소에 대해 수행될 수 있다. 대안적으로, 몇몇의 접촉 요소들은 예를 들어 몇몇의 레이저 빔을 사용하여 동시에 국소적으로 가열될 수 있다. 국소적 가열 단계 동안, 캐리어 요소 및 유리 요소는 국소적으로 가열되는 위치를 제외하고 실온을 가질 수 있다. 대안적으로, 국소적 가열 단계에서, 캐리어 요소 및 유리 요소는 국소적으로 가열되는 위치를 제외하고 마감된 배열의 의도된 작동 온도에 해당할 수 있는 예정된 온도를 가질 수 있다.
이롭게는, 몇몇의 이러한 접촉 요소들, 특히 이롭게는 적어도 3개가 제공될 수 있으며, 이들은 서로 거리를 두고 배열될 수 있다. 10개 초과 접촉 요소들을 제공하는 것이 특히 바람직하다.
일 실시형태에 따르면, 본 방법은 삽입 단계 전에 접촉 오목부를 형성하는 단계를 가질 수 있다. 예를 들어, 접촉 오목부는 몰딩 단계에서 예를 들어 보어(bore)를 통해 피트(pit)의 형태로 삽입될 수 있다. 대안적으로, 세라믹으로부터 설계된 캐리어 요소는 예를 들어 제조 공정 동안 상응하는 오목부로 형성될 수 있다. 형성 단계의 이점은 접촉 오목부가 후속 삽입 단계에서 삽입되는 접촉 요소와 최적으로 일치될 수 있다는 것이다.
본 방법은 삽입 단계 전에 접촉 오목부 중 적어도 일부를 분리층으로 코팅하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 접촉 요소가 삽입 단계에서 삽입되는 접촉 오목부의 표면 전체는 분리층으로 코팅될 수 있다. 장벽층으로도 지칭될 수 있는 분리층은 이롭게는 예를 들어 탄화규소로 설계된 캐리어 요소를 접촉 요소의 유리로부터 화학적으로 분리되도록 유지하기 위해 예를 들어 규소(Si) 또는 게르마늄(Ge) 또는 내화 금속 및 추가적으로 또는 대안적으로 상기 언급된 패브릭의 산화물 및 추가적으로 또는 대안적으로 내화 금속 규소화물로 설계될 수 있다. 분리층은 접착을 개선하고, 추가적으로 또는 대안적으로 예를 들어 용융될 때 유리 땜납의 발포를 야기할 수 있는 유리 땜납과 캐리어 요소의 화학적 반응을 방지하기 위해 제공될 수 있다.
추가 실시형태에 따르면, 본 방법은 접촉 요소를 가열하여 접촉 요소를 캐리어 요소에 연결하는 단계를 가질 수 있으며, 가열 단계는 삽입 단계 후에 수행될 수 있다. 예를 들어, 접촉 요소는 유리 땜납과 동일한 방식으로 사용될 수 있으며, 온도가 상승될 때 캐리어 요소와 실질적인 연결을 형성할 수 있다. 예를 들어, 접촉 요소는 유리 온도, 변태 온도, 또는 연화 온도로도 불릴 수 있는 접촉 요소의 용융 온도 초과에서 가열될 수 있으며, 연화된 유리는 캐리어 요소 또는 캐리어 요소를 덮고 있는 장벽층을 습윤시킬 수 있다. 이롭게는, 제공된 캐리어 요소 및 접촉 요소 또는 모든 접촉 요소들은 함께 가열될 수 있다. 가열 단계는 예를 들어 공기 또는 불활성 가스를 갖는 산업용 퍼네이스와 같은 보통의 용융 퍼네이스 또는 진공 퍼네이스에 의한 퍼네이스 공정으로서 또는 레이저 빔에 의해 수행될 수 있다. 제공된 접촉 요소들에 맞는 캐리어 요소 또는 접촉 요소들에 맞는 몇몇의 캐리어 요소들이 함께 오븐 내로 삽입될 수 있다. 대안적으로, 접촉 요소를 캐리어 요소에 연결하기 위한 접촉 요소의 가열 단계는 국소적 가열에 의해 수행될 수 있으며, 캐리어 요소는 그 외에는 실온에서 유지된다. 이롭게는, 이 부분에서 기재된 가열 단계는 캐리어 요소와 접촉 요소 사이의 시간 절약적 및 비용 효율적 연결을 생성할 수 있다. 이롭게는, 연결된 접촉 요소를 갖는 캐리어 요소는 이 단계 후에 실온으로 냉각될 수 있다. 이어서, 이 부분의 두께를 감소시키는 단계 및 추가적으로 또는 대안적으로 유리 요소를 실온에 배치하는 단계가 일어날 수 있다.
추가 실시형태에 따르면, 가열 단계에서, 표면 상부에 돌출되는 접촉 요소 중 일부는 칼라로 확장되고, 추가적으로 또는 대안적으로 유리판의 수직 방향으로 돌출된 둥근 캡으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 접촉 요소의 3/4은 삽입 단계 후에 캐리어 요소 내로 삽입될 수 있는 한편, 1/4는 캐리어 요소의 표면 밖으로 돌출될 수 있다. 가열 단계에서, 접촉 요소는 특히 표면 상부에 돌출된 부분에서 가열될 수 있으며, 이로 인해 상기 부분은 확장되어 칼라를 형성하고, 결과적으로 접촉 오목부의 반경보다 더 클 수 있는 반경을 가질 수 있다. 이롭게는, 이는 접촉 요소와 캐리어 요소의 표면 사이에 실질적인 연결을 생성할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 부분은 가열 동안 둥근 캡으로 형성될 수 있다. 이롭게는, 접촉 오목부의 모서리 밖으로의 접촉 요소의 반경의 확장은 피하거나, 제한될 수 있으며, 필요한 경우, 캐리어 요소와 유리 요소 사이의 연결은 국소적으로 최소한으로 제한될 수 있다.
추가 실시형태에 따르면, 본 방법은 마운팅 단계 전에 상기 부분의 두께를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐리어 요소의 표면 상부에 돌출된 접촉 요소 중 일부는 이전의 가열 단계에 의해 적어도 부분적으로 용융될 수 있으며, 그 결과 상기 부분의 접촉 표면은 불균일성을 가질 수 있다. 따라서, 상기 부분의 접촉 표면은 감소 단계에서 레벨링될 수 있다. 이롭게는, 이러한 불균일한 부분은 감소 단계 동안 예를 들어 연삭에 의해 레벨링될 수 있다. 예를 들어 10 μm 내지 200 μm의 캐리어 요소의 표면 상의 접촉 요소 또는 접촉 요소들의 돌출이 이롭게는 획득될 수 있다. 이는 결정된 두께의 간극이 캐리어 요소와 유리 요소 사이에 생성되도록 한다. 최대 수마이크로미터, 예를 들어 최대 0.1 μm의 영역에서 접촉 요소의 표면의 잔여 변형은 예를 들어 연삭 및 연마 공정에 의해 제거될 수 있다. 이롭게는, 접촉 요소는 유리 요소가 후속 배치 단계에서 편평한 표면 상에 배치될 수 있도록 하는 방식으로 감소 단계에서 기계 처리될 수 있다. 또한, 몇몇의 접촉 요소들이 제공되는 경우, 이들은 이들의 편평한 표면이 공통 표면 상에 놓이도록 하는 방식으로 레벨링될 수 있다. 이는 유리 요소가 접촉 요소 또는 몇몇의 접촉 요소들이 제공되는 경우, 접촉 요소들 상에 편평하게 놓이도록 한다. 이는 연결 공정 및 추가적으로 또는 대안적으로 캐리어 요소와 유리 요소 사이의 후속 연결의 강도가 최적화되도록 한다. 각각의 접촉 요소의 레벨링된 표면 및 공통 표면으로부터의 편위 둘 모두의 평탄도는 이롭게는 1 μm 미만일 수 있다.
추가 실시형태에 따르면, 접촉 요소는 반응성 용접 공정을 사용하여 삽입 단계에서 삽입될 수 있다. 예를 들어, 반응성 용접은 이롭게는 시간 및 비용을 절약하기 위해 추가 가열 단계에 대한 대안으로 수행될 수 있다.
추가 실시형태에 따르면, 접촉 요소는 국소적 가열 단계에서 레이저 빔을 사용하여 가열될 수 있다. 예를 들어, 스폿 열적 연결 공정, 예컨대 스폿 레이저 용접이 국소적 가열 단계에서 사용될 수 있으며, 유리 다월(접촉 요소)은 접촉 요소를 용융시키고 이를 유리 요소에 연결하기 위해 예를 들어 유리 요소를 통해 레이저 빔으로 국소적으로 조사될 수 있다. 이롭게는, 접촉 요소는 이의 용융 온도 초과로 가열될 수 있으며, 유리 다월의 연화된 유리는 유리 요소를 습윤시킬 수 있다. 접촉 요소에 대한 유리 요소의 연결 동안, 캐리어 요소의 온도는 이롭게는 실온으로의 후속 냉각 동안 휨을 피하기 위해 레이저 빔을 사용하여 실온에서 유지될 수 있다. 예를 들어, 유리 요소와 접촉 요소 사이의 연결은 단펄스에 의해 이루어질 수 있다. 이는 가열이 오직 매우 국소적으로 수행되며, 용접 또는 납땜 또는 접착제 탬퍼링(adhesive tempering)으로서의 전체 구성요소의 가열을 피할 수 있는 이점을 갖는다. 따라서, 레이저 용접의 사용이 특이 이로우며, 그 이유는 이 방법이 캐리어 요소의 온도를 거의 일정하게 유지하면서 짧은 레이저 펄스에 의한 용접 공정 동안 국소적으로 충분한 온도가 증가될 수 있도록 하기 때문이다. 대안적으로, 예를 들어 레이저가 반응성 결합 공정을 시작하는 데 사용될 수 있다.
추가 실시형태에 따르면, 삽입 단계에서, 접촉 요소는 원통형 또는 구형 또는 부분적 구형 또는 타원형 또는 도넛형 형상일 수 있다. 예를 들어, 접촉 요소는 유리 원통형으로 형상화될 수 있으며, 캐리어 요소의 접촉 오목부 내로 삽입되고 캐리어 요소에 단단하게 연결될 수 있다. 이롭게는, 이러한 원통형 또는 상기 언급된 몰드 중 하나가 제조되고, 비용 효율적으로 저장될 수 있다.
추가 실시형태에 따르면, 유리 요소 및 캐리어 요소는 국소적 가열 단계에서 연결되어 광학 장치를 제조할 수 있다. 예를 들어, 광학 장치는 포지셔닝 장치의 일부, 예를 들어 xy-테이블(xy-단)에 대한 인코더 또는 각도계에 대한 각도 인코더로서 사용될 수 있으며, 캐리어 요소와 유리 요소 사이의 실질적인 연결이 이롭게는 광학 장치의 사용 범위를 확장하고, 이의 지지 용량을 증가시킬 수 있다.
추가 실시형태에 따르면, 본 방법은 세라믹 요소 형태의 캐리어 요소를 제공하고, 추가적으로 또는 대안적으로 초저 팽창 유리 형태의 유리 요소를 제공하고, 추가적으로 또는 대안적으로 보로실리케이트 유리 요소 형태의 접촉 요소를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐리어 요소는 탄화규소(SiC) 또는 질화규소화 탄화규소(Si/SiC)로부터 설계될 수 있으며, 그 결과 이는 이롭게는 특히 높은 정도의 경도 및 고온 저항성을 가질 수 있다. 소위 초저 팽창 유리로서, 유리 요소는 이롭게는 매우 낮은 열 팽창 계수를 가지며, 따라서 다양한 장치, 예를 들어 반사 망원경 내의 대형 망원경 미러에 대한 캐리어로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 보로실리케이트 유리가 캐리어 요소를 유리 요소에 연결하기 위한 접촉 요소로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 보로실리케이트 유리는 유리 땜납과 유사하게 캐리어 요소와 유리 요소 둘 모두의 실질적인 연결을 형성할 수 있다. 접촉 요소는 캐리어 요소보다 더 높은 열 팽창 계수를 가질 수 있으며, 이는 온도 변화의 경우, 예를 들어 접촉 요소가 캐리어 요소에 연결되었던 후에 냉각될 때 기계적 스트레스를 야기할 수 있으며, 이는 예를 들어 접촉 요소가 캐리어 요소에서 떼어질 수 있도록 할 수 있다. 작은 치수를 갖는 접촉 요소가 사용되어 기계적 스트레스를 유의하지 않은 수준으로 최소화할 수 있다. 예를 들어, 각각의 접촉 요소의 최고 선형 치수는 1 mm 미만일 수 있다. 유리 요소와 캐리어 요소 사이의 연결의 필요한 강도를 보장하기 위해, 접촉 요소의 상응하는 수가 제공될 수 있다. 이롭게는, 접촉 요소는 캐리어 요소보다 더 낮은 열 팽창 계수를 가질 수 있다. 이어서, 특히 원통형 접촉 요소 및 캐리어 요소 내의 원통형 오목부가 제공되는 경우, 캐리어 요소 내의 접촉 요소의 클램핑 효과가 실질적인 연결 외에 획득될 수 있다. 대안적으로, 접촉 요소가 캐리어 요소와 유사한 열 팽창 지수를 가질 수 있으며, 이로 인해 이는 온도가 변화될 때, 예를 들어 접촉 요소를 캐리어 요소에 연결하기 위한 용접 공정 동안 또는 접촉 요소의 가열 동안 캐리어 요소와 유사한 스트레스 변화를 경험할 수 있다. 접촉 요소 및 캐리어 요소는 예를 들어 20℃의 실온으로 함께 냉각될 때 기계적으로 무-스트레스를 유지할 수 있다. 이롭게는, 보로실리케이트 유리를 사용할 때, 분리층이 캐리어 요소와 접촉 요소 둘 모두에 대해 분배될 수 있다. 이 단락의 목적을 위해, 열 팽창 지수는 접촉 요소의 연화 온도와 실온 사이의 평균 값으로 여겨질 수 있다.
추가 실시형태에 따르면, 복수의 접촉 요소는 삽입 단계에서 캐리어 요소의 표면 내의 복수의 접착 오목부 내로 삽입될 수 있다. 이러한 경우, 복수의 접착 오목부는 일렬로 배열될 수 있다. 예를 들어, 복수의 접착 오목부는 원과 같은 폐곡선을 따라 또는 직사각형 형태를 따라 접합선의 형태로 배열될 수 있다. 이롭게는, 연결의 안정성은 복수의 접촉 요소를 사용함으로써 증가될 수 있다.
추가 실시형태에 따르면, 압축력이 유리 요소를 접촉 요소에 대해 압축하기 위해 국소적 가열 단계 동안 유리 요소 상에 적어도 일시적으로 가해질 수 있다. 예를 들어, 기계적 압력은 국소적으로 또는 유리 요소의 전체 표면에 걸쳐 가해질 수 있다. 이롭게는, 이는 접촉 요소에 대한 유리 요소의 연결을 가속화할 수 있다. 이는 또한 유리 요소가 접촉 요소에 닿도록 할 수 있다. 이는 국소적 가열 단계 동안 접촉 요소 상에서 용융된 재료가 유리 요소를 습윤시킬 수 있도록 한다. 유리 요소를 접촉 요소의 국소적으로 용융된 재료로 습윤시킨 후에, 접지압이 기계적 장력을 피하기 위해 감소 또는 제거될 수 있다.
또한, 광학 장치는 접촉 오목부를 갖는 캐리어 요소 및 유리 요소로 제시되며, 캐리어 요소 및 유리 요소는 접착 오목부 내로 삽입된 접촉 요소에 의해 서로 연결된다. 광학 장치는 예를 들어 상기 기재된 방법의 변형을 사용하여 제조되었다. 이롭게는, 이러한 광학 장치는 광 엔진 또는 센서 모듈, 예컨대 광학 인코더 또는 기타 고정밀도 광학 모듈에서 사용될 수 있다. 이러한 구성 요소 유닛은 휨 또는 열적 변동 없이 필요한 특성을 보장하기 위해 여기에서 필요할 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 광학 장치는 길이 및 추가적으로 또는 대안적으로 기하학적 위치를 검출하기 위한 광학 센서 장치를 가질 수 있다. 예를 들어, 이 목적을 위한 유리 요소는 기하학적 측정 실시형태, 예컨대 위치 마크 또는 스케일 마커를 가질 수 있다. 따라서, 이롭게는, 광학 장치는 감각 시스템 또는 이러한 시스템의 일부, 예를 들어 xy-단에서의 인코더 중 일부 또는 각도계에 대한 각도 인코더로서 사용될 수 있다.
본원에 제시된 접근법의 예시적인 실시형태를 도면에서 보여주며, 다음 설명에서 보다 상세하게 설명된다. 다음과 같이 나타난다:
도 1은 유리 요소를 캐리어 요소에 완전하게 결합시키는 방법의 일 예시적인 실시형태를 나타내고;
도 2은 유리 요소를 캐리어 요소에 완전하게 결합시키는 방법의 일 예시적인 실시형태를 나타내고;
도 3은 삽입된 접촉 요소를 갖는 캐리어 요소의 일 예시적인 실시형태의 개략도를 나타내고;
도 4는 삽입된 접촉 요소를 갖는 캐리어 요소의 일 예시적인 실시형태의 개략도를 나타내고;
도 5는 삽입된 접촉 요소를 갖는 캐리어 요소의 일 예시적인 실시형태의 개략도를 나타내고;
도 6은 부착된 유리 요소를 갖는 캐리어 요소의 일 예시적인 실시형태의 개략도를 나타내고;
도 7은 부착된 유리 요소를 갖는 캐리어 요소의 일 예시적인 실시형태의 개략도를 나타내고;
도 8는 광학 시스템의 일 예시적인 실시형태의 개략도를 나타내고;
도 9는 복수의 접촉 오목부의 배열을 갖는 캐리어 요소의 일 예시적인 실시형태의 개략적인 상면도를 나타낸다.
본 발명의 이로운 예시적인 실시형태에 대한 다음 설명에서, 동일하거나 유사한 참조 부호가 다양한 도면에 나타나고 유사한 효과를 갖는 요소에 대해 사용되며, 이들 요소에 대한 반복된 설명은 생략된다.
도 1은 유리 요소를 캐리어 요소에 완전하게 결합시키는 방법(100)의 일 예시적인 실시형태의 흐름도를 나타낸다. 오직 예로서, 캐리어 요소는 규소 침투된 탄화규소(Si/SiC)로 제조된 세라믹 캐리어이고, 유리 요소는 소위 초저 팽창 유리로 제조된 유리판이다. Si/SiC는 예를 들어 실온 내지 1000℃에서 오직 4 ppm/K의 열 팽창 계수를 가질 수 있다. 본 방법(100)은 적어도 접촉 요소를 캐리어 요소의 표면 내의 접착 오목부 내로 삽입하는 단계 105를 포함한다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 접촉 요소는 오직 반응성 용접 공정을 사용하여 삽입된다. 예시적인 실시형태의 변형에서, 오븐 공정이 사용될 수 있다. 또한, 본 방법(100)은 유리 요소를 캐리어 요소의 표면 상부에 돌출된 접촉 요소 중 일부 상에 배치하는 단계 110을 포함하며, 오직 예시적으로 유리판은 캐리어 요소의 표면과 평행하게 정렬되고, 접촉 요소와 기계적으로 접촉하게 된다. 이는 캐리어 요소의 표면과 유리 요소 사이에 공기 간극을 초래한다. 국소적 가열의 다음 단계 115에서, 접촉 요소는 유리 요소를 접촉 요소를 통해 캐리어 요소에 연결하기 위해 가열된다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 유리 요소와 접촉 요소의 기계적 연결은 오직 레이저 빔에 의한 스폿 용접에 의해 실현되며, 이는 간접적으로 유리 요소와 캐리어 요소 사이에 연결을 생성한다. 여기서 사용되는 레이저 빔은 예를 들어 접촉 요소와 유리 요소를 국소적으로 가열하기 위해 오직 10 나노초의 기간 동안 단펄스로 설정된다. 단펄스의 사용은 규칙적 용접 또는 납땜 또는 접착제 탬퍼링으로서 전체 구성요소를 가열하는 것이 아니라 오직 매우 국소적으로 가열하는 것이 가능하도록 만든다. 이러한 예시적인 실시형태에 따르면, 유기 요소 및 캐리어 요소는 광학 장치를 제조하기 위해 국소적 가열 단계에서 연결된다.
도 2은 유리 요소를 캐리어 요소에 완전하게 결합시키는 방법(100)의 일 예시적인 실시형태의 흐름도를 나타낸다. 본원에 예시된 방법(100)은 본원에 예시된 방법(100)이 추가 선택적 단계를 포함하는 것을 제외하고 전술한 도면에서 설명된 방법과 동일하거나, 유사하다.
일 예시적인 실시형태에서, 본 방법(100)은 세라믹 요소 형태의 캐리어 요소 및 초저 팽창 유리 형태의 유리 요소 및 보로실리케이트 캣 유리 요소(borosilicate cat glass element) 형태의 접촉 요소를 제공하는 단계 200을 갖는다. 접촉 요소는 보로실리케이트 유리로 제조되고, 캐리어 요소는 Si/SiC 세라믹으로 제조된다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 보로실리케이트 유리는 Si/SiC 캐리어 요소와 용접 온도 내지 실온에서 상이한 열 팽창 계수를 갖는다. 예를 들어, 보로실리케이트 유리의 열 팽창 지수는 실온 내지 300℃에서 3.25 ppm/K이고, Si/SiC의 것은 4.0 ppm/K이다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 접촉 요소는 열 팽창 차이로 인해 냉각 동안 접촉 요소가 캐리어 요소로부터 떼어지지 않도록 상대적으로 작은 치수를 갖는다.
일 예시적인 실시형태에서, 제공 단계 200은 접촉 오목부의 형성 단계 205로 이어진다. 접촉 오목부는 예를 들어 보어에 의해 캐리어 요소 내로 오직 삽입되고, 접촉 요소의 치수와 일치한다.
일 예시적인 실시형태에서, 접촉 오목부는 이후 코팅 공정 단계 210에서 분리층으로 코팅된다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 장벽층으로도 지칭될 수 있는 분리층은 캐리어 요소를 접촉 요소로부터 화학적으로 분리하기 위해 규소로 설계된다. 또 다른 예시적인 실시형태에서, 분리층은 예를 들어 추가적으로 또는 대안적으로 게르마늄(Ge) 또는 내화 금속 또는 상기 패브릭의 산화물 및 추가적으로 또는 대안적으로 내화 금속 규소화물을 가질 수 있다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 코팅 단계 210은 캐리어 요소의 코팅된 접촉 오목부 내로의 접촉 요소의 삽입 단계 105로 이어진다. 일 예시적인 실시형태에서, 복수의 접촉 오목부는 또한 형성 단계에서 캐리어 요소의 표면 내에 형성될 수 있으며, 복수의 접촉 요소가 삽입 단계에서 삽입될 수 있다. 이러한 경우, 복수의 접착 오목부는 일렬로 배열될 수 있다. 예를 들어, 복수의 접착 오목부는 원과 같은 폐곡선을 따라 또는 직사각형 형태를 따라 접합선의 형태로 배열될 수 있다.
일 예시적인 실시형태에서, 삽입 단계 105는 접촉 요소를 캐리어 요소에 연결하기 위해 접촉 요소를 가열하는 단계 215로 이어진다. 예를 들어, 접촉 요소 및 선택적으로 또한 캐리어 요소는 연결 온도로 가열되며, 이는 접촉 요소와 캐리어 요소 사이의 실질적인 잠금 연결이 가능하도록 한다. 오직 예로서, 가열 단계 215가 보통의 용융 퍼네이스를 사용하는 퍼네이스 공정으로서 수행된다. 또 다른 예시적인 실시형태에서, 가열은 진공 퍼네이스를 사용하여 또는 레이저 빔에 의해 수행될 수 있다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 캐리어 요소의 표면 상부에 돌출된 접촉 요소 중 일부는 가열에 의해 칼라로 확장되며, 여기서, 이는 단지 예로서 용융된다. 이후, 구성요소는 접촉 요소를 캐리어 요소에 영구적으로 연결하기 위해 이러한 예시적인 실시형태에서 냉각된다. 이러한 예시적인 실시형태에서 보로실리케이트 유리 요소 및 Si/SiC 세라믹 요소는 상이한 열 팽창 계수를 갖기는 하지만, 예를 들어 20℃의 오직 실온으로의 냉각을 포함하는 가열 단계 215가 작은 치수의 접촉 요소를 사용하여 실질적으로 낮은 기계적 스트레스로 수행될 수 있다. 또 다른 예시적인 실시형태에서, 기계적 스트레스 또는 불평활이 납땜에 의해 초래될 수 있다. 납땜 동안, 예를 들어 구성요소 전체는 납땜 온도로 가열될 수 있다. 실온으로 냉각될 때, 연결 위치는 땜납의 응고 온도로 고정될 수 있어서 납땜 부분의 팽창 계수가 상이한 경우, 열 유발 스트레스가 냉각에 의해 생성되며, 이는 표면의 휨을 야기할 수 있다. 상기 영향은 결합과 동일하며, 땜납의 응고 온도는 접착제의 유리 전이 온도에 해당할 수 있다.
일 예시적인 실시형태에서, 본원에 나타낸 방법(100)에서, 가열 단계 215는 감소 단계 220으로 이어진다. 예를 들어, 캐리어 요소의 표면 상부에 돌출된 냉각된 접촉 요소 중 일부의 오직 하나의 두께가 연삭 및 연마되며, 접촉 요소의 편평한 표면을 수득한다. 이는 접촉 요소의 표면의 임의의 잔여 변형을 제거한다. 복수의 접촉 요소를 갖는 일 예시적인 실시형태에서, 몇몇의 기존 접촉 요소들의 표면이 또한 공통 표면으로 레벨링될 수 있다. 1 μm 미만의 평탄도가 오직 일 예로서 획득된다. 유리 요소는 다음 단계 110에서 캐리어 요소로부터 반대쪽의 이러한 편평한 표면 상에 배치된다.
이는 유리 요소를 접촉 요소를 통해 캐리어 요소에 연결하는 국소적 가열 단계 115로 이어진다. 이로 인해, 이러한 예시적인 실시형태에서, 국소적인 가열 단계 115는 레이저 빔을 사용하여 수행된다. 여기서, 레이저 빔은 예를 들어 접촉 요소를 유리 요소에 확실히 연결하기 위해 접촉 요소의 표면 상으로 유도된다. 동시에, 이러한 국소적 가열 단계 115에서, 압축력이 유리 요소를 접촉 요소에 대해 압축하기 위해 유리 요소 상에 가해진다. 압축력은 예를 들어 또 다른 유리 요소를 유리 요소 상에 배치하는 것에 의해 전체 표면에 걸쳐 또는 오직 접촉 요소(들)의 영역에 국소적으로 가해질 수 있다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 유리 요소는 캐리어 요소보다 더 낮은 열 팽창 계수를 가지나, 이는 오직 국소적 가열에 의해 생성되는 유리 요소와 캐리어 요소 사이의 지점 형태 연결로 인해 임의의 기계적 스트레스를 야기하지는 않는다.
도 3은 삽입된 접촉 요소(305)를 갖는 캐리어 요소(300)의 일 예시적인 실시형태의 개략도를 나타낸다. 오직 예로서, 캐리어 요소는 Si/SiC 세라믹으로 제조된 요소이고, 접촉 요소(305)는 유리 땜납으로도 지칭될 수 있는 보로실리케이트 유리로 제조된 원통형 요소이다. 또 다른 예시적인 실시형태에서, 접착 요소는 또한 구형 또는 부분적 구형 또는 타원형 또는 도넛형 형상일 수 있다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 원통형 접촉 요소(305)는 접촉 요소(305)가 삽입되는 접촉 오목부(310)의 형상과 맞는다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 접촉 오목부(310)는 접촉 요소(305)를 캐리어 요소(300)로부터 화학적으로 분리하기 위해 분리층(315)으로 코팅된다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 캐리어 요소(300)는 또한 추가 분리층(325)으로 코팅되고 추가 접촉 요소(330)가 삽입되는 추가 접촉 오목부(320)를 포함한다. 추가 접촉 요소(330)는 접촉 요소(305)와 동일하게 설계된다.
도 4a 및 도 4b는 삽입된 접촉 요소(305)를 갖는 캐리어 요소(300)의 일 예시적인 실시형태의 개략도를 나타낸다. 여기에 나타낸 캐리어 요소(300) 및 접촉 요소(305)는 전술한 도 3에 기재된 캐리어 요소 및 접촉 요소에 해당하거나, 이와 유사하다. 접촉 요소의 상이한 가능한 형상은 도 4a 및 도 4b에 예시된다. 도 4a 및 도 4b 둘 모두에서, 캐리어 요소(300)는 또한 이러한 예시적인 실시형태에서 접촉 오목부(310) 내에 배열된 접촉 요소(305) 이외에 추가 접촉 오목부(320) 내에 배열된 추가 접촉 요소(330)를 포함한다. 접촉 요소(305)뿐만 아니라 추가 접촉 요소(330)는 가열 단계 후에 여기에 나타낸 도면에서 보여준다. 도 4a에서, 이러한 예시적인 실시형태에서의 가열로 인해, 캐리어 요소(300)의 표면(400) 상부에 돌출된 접촉 요소(305) 중 일부(405)는 칼라로 확장되며, 실질적 결합에 의해 표면(400)에 연결된다. 이와 같이, 추가 접촉 요소(330) 중 추가 일부(410)가 또한 확장되며, 실질적 결합에 의해 표면(400)에 연결된다. 도 4b에서는, 반대로, 접촉 요소(305) 중 일부(405) 및 추가 접촉 요소(330) 중 추가 일부(410) 둘 모두는 둥근 캡으로 형상화된다. 바꾸어 말하면, 여기에 나타낸 예시적인 실시형태에서, 2개의 다월은 융합되고, 캐리어 요소(300)에 단단하게 연결된다.
도 5는 삽입된 접촉 요소(305)를 갖는 캐리어 요소(300)의 일 예시적인 실시형태의 개략도를 나타낸다. 여기에 나타낸 캐리어 요소(300) 및 접촉 요소(305)는 전술한 도 3 및 도 4에 기재된 담체 요소 및 접촉 요소에 해당하거나, 이와 유사하며, 캐리어 요소(305)는 또한 이러한 예시적인 실시형태에서 접촉 요소(305) 외에 추가 접촉 요소(330)를 갖는다. 여기에 나타낸 표시에서, 접촉 요소(305) 및 추가 접촉 요소(330)는 이전의 도 2에서 설명된 감소 단계 후에 나타난다. 따라서, 접촉 요소(305) 중 일부(405)뿐만 아니라 추가 접촉 요소(330) 중 추가 일부(410)는 유리 요소의 저장소를 최적화하기 위해 평탄화된다.
도 6은 부착된 유리 요소(600)를 갖는 캐리어 요소(300)의 일 예시적인 실시형태의 개략도를 나타낸다. 여기에 나타낸 캐리어 요소(300)는 전술한 도 3, 도 4, 및 도 5에 기재된 캐리어 요소에 해당하거나, 이와 유사하다. 접촉 요소(305, 330)는 캐리어 요소(300) 내에 배열되며, 이전의 가열 단계에서 용융되고, 감소 단계에서 레벨링되었다. 여기에 나타낸 표시에서, 유리 요소(600)는 캐리어 요소(300)의 표면(400) 상부에 돌출된 접촉 요소(305, 330) 중 일부(405, 410) 상에 배치된다. 유리칩 또는 유리판으로도 지칭될 수 있는 유리 요소(600)는 단지 소위 초저 팽창 유리의 일 예이며, 캐리어 요소(300)의 팽창 계수와 상이한 팽창 계수를 갖는다. 유리 요소는 캐리어 요소(300)의 표면(400)에 평행하게 정렬된다. 부분(405, 410)의 두께로 인해 캐리어 요소(300)와 유리 요소(600) 사이에 공기 간극(605)이 생긴다.
도 7은 부착된 유리 요소(600)를 갖는 캐리어 요소(300)의 일 예시적인 실시형태의 개략도를 나타낸다. 여기에 나타낸 캐리어 요소(300) 및 접촉 요소(600)는 전술한 도 6에 기재된 캐리어 요소 및 접촉 요소에 해당하거나, 이와 유사하다. 여기서, 캐리어 요소(300), 접촉 요소(305, 330), 및 유리 요소(600)는 국소적 가열 단계 동안 나타난다. 부분(405, 410)은 유리 요소(600)를 부착하기 위한 연결 표면으로 작용한다. 레이저 빔(700)은 이를 국소적으로 가열하기 위해 유리 요소(600)를 통해 다른 접촉 요소(330) 상으로 향한다. 따라서, 접촉 요소(305)는 또 다른 레이저 빔 또는 이후 재정렬된 레이저 빔(700)에 의해 가열된다. 캐리어 요소(300)에 연결된 접촉 요소(305, 330)를 가열함으로써, 유리 요소(600)는 캐리어 요소(300)에 간접적으로 연결될 수 있으며, 여기서, 공기 간극(605)이 캐리어 요소(300)와 유리 요소(600) 사이에 존재한다. 국소적 가열 동안, 유리 요소(600)는 일 예시적인 실시형태에 따라 접촉 요소(305, 330) 상에서 압축된다.
도 8는 광학 시스템(800)의 일 예시적인 실시형태의 개략적인 상면도를 나타낸다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 광학 장치(800)는 전술한 도 3, 도 4, 도 5, 도 6, 및 도 7에 기재된 캐리어 요소와 동일하거나, 유사한 캐리어 요소(300)를 포함한다. 장치(800)의 캐리어 요소(300)는 전술한 도 1 및 도 2에 기재된 방법에 의해 유리 요소(600)에 실질적으로 연결된다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 센서 장치(805)는 유리 요소(600) 상에 배열되며, 이는 단지 기하학적 위치를 결정하기 위한 위치 마커의 일례이다. 오직 예로서, 광학 장치(800)는 xy 인코더이다.
도 9는 복수의 접촉 오목부(310)의 배열(900)을 갖는 캐리어 요소(300)의 일 예시적인 실시형태의 개략적인 상면도를 나타낸다. 여기에 나타낸 캐리어 요소(300)는 전술한 도 3, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7, 및 도 8에 기재된 캐리어 요소에 해당하거나, 이와 유사하고, 복수의 접촉 오목부를 가지며, 이들 모두는 전술한 도 3, 도 4, 및 도 6에 기재된 접촉 오목부와 유사한다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 배열(900)은 20개 초과의 예시적인 26개의 접촉 오목부(310)를 포함하며, 오직 예시적으로 직사각형 형상이다. 또 다른 예시적인 실시형태에서, 예를 들어 20개 이상의 접촉 오목부(310)은 복수의 고리를 따라 배열될 수 있다. 예를 들어, 내부 고리는 20 mm의 직경을 가질 수 있고, 중간 고리는 40 mm의 직경을 가질 수 있으며, 외부 고리는 60 mm의 직경을 가질 수 있다.
Claims (15)
- 유리 요소(600)를 캐리어 요소(300)에 완전하게 결합시키는 방법(100)으로서, 상기 방법(100)은 다음 단계(105, 110, 115)를 포함하며:
적어도 하나의 접촉 요소(305)를 캐리어 요소(300)의 표면(400) 내의 접촉 오목부(310) 내로 삽입하는 단계(105);
유리 요소(600)를 표면(400) 상부에 돌출된 접촉 요소(305) 중 일부(405) 상에 배치하는 단계(110); 및
유리 요소(600)를 접촉 요소(305)를 통해 캐리어 요소(300)에 연결하기 위해 접촉 요소(305)를 국소적으로 가열하는 단계(115);
삽입 단계(105) 전에 접촉 오목부(310) 중 적어도 일부를 분리층(315)으로 코팅하는 단계(210)를 추가로 포함하는, 완전하게 결합시키는 방법(100). - 제1항에 있어서, 삽입 단계(105) 전에 접촉 오목부(310)를 몰딩하는 단계(205)를 포함하는, 완전하게 결합시키는 방법(100).
- 제1항에 있어서, 분리층(315)은 규소(Si), 게르마늄(Ge), 또는 내화 금속로부터, 또는 규소(Si),게르마늄(Ge), 또는 내화 금속의 산화물로부터, 또는 내화 금속 규소화물로부터 설계되는 것을 특징으로 하는, 완전하게 결합시키는 방법(100).
- 제1항에 있어서, 접촉 요소(305)를 캐리어 요소(300)에 연결하기 위해, 접촉 요소(305)를 가열하는 단계(215)를 포함하며, 가열 단계(215)는 삽입 단계(105) 후에 수행되는, 완전하게 결합시키는 방법(100).
- 제4항에 있어서, 표면(400) 상에 돌출된 접촉 요소(305) 중 일부(405)를 가열하는 단계(215)는 접촉 오목부(310)의 반경보다 큰 반경을 갖도록 확장되고/되거나 유리판의 수직 방향으로 돌출되는 둥근 캡으로 형성되는, 완전하게 결합시키는 방법(100).
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 유리 요소(600)를 일부(405) 상에 배치하는 단계(110) 전에 일부(405)의 두께를 감소시키는 단계(220)를 포함하는, 완전하게 결합시키는 방법(100).
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 삽입 단계(105)에서, 접촉 요소(305)는 반응성 용접 공정을 사용하여 삽입되는, 완전하게 결합시키는 방법(100).
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 접촉 요소(305)를 국소적으로 가열하는 단계(115)는 레이저 빔(700)을 사용하여 가열되는, 완전하게 결합시키는 방법(100).
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 삽입 단계(105)에서, 접촉 요소(305)는 원통형 또는 구형 또는 부분적 구형 또는 타원형 또는 도넛형으로 형상화되는, 완전하게 결합시키는 방법(100).
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 국소적 가열 단계(115)에서, 유리 요소(600) 및 지지체 요소(300)는 연결되어 광학 장치(600)를 생성하는, 완전하게 결합시키는 방법(100).
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 세라믹 요소 형태의 캐리어 요소(300) 및/또는 초저 팽창 유리 형태의 유리 요소(600) 및/또는 보로실리케이트 유리 요소(borosilicate glass element) 형태의 접촉 요소(305)를 제공하는 단계 (200)를 포함하는, 완전하게 결합시키는 방법(100).
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 삽입 단계(105)에서, 복수의 접촉 요소(305)는 캐리어 요소(300)의 표면(400) 내의 복수의 접촉 오목부(310) 내로 삽입되며, 복수의 접촉 오목부(310)는 일렬로 배열되는, 완전하게 결합시키는 방법(100).
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 국소적 가열 단계(115)에서, 압축력이 유리 요소(600) 상에 가해져서 유리 요소(600)를 접촉 요소(305)에 대해 압축하는, 완전하게 결합시키는 방법(100).
- 접촉 오목부(310)를 갖는 캐리어 요소(300) ― 상기 캐리어 요소(300)는 탄화규소(SiC), 다이아몬드, 규소와 탄화규소의 혼합물(Si/SiC), 탄화붕소(B4C), 규소 침투된(infiltrated) 탄화붕소(Si/B4C) 또는 AlN의 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료로 구성됨 ― 및
유리 요소(600)
를 갖는 광학 장치(800)로서,
캐리어 요소(300) 및 유리 요소(600)는 유리로부터 형성되고 접촉 오목부(310) 내로 삽입되는 접촉 요소(305)를 사용하여 서로 단단하게 연결되고, 접촉 오목부(310)는 분리층(315)으로 코팅되는, 광학 장치(800). - 제14항에 있어서, 길이 및/또는 기하학적 위치를 검출하기 위한 광학 센서 장치(805)를 포함하는 광학 장치(800).
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