WO2001013155A1 - Abstandselement für eine haltevorrichtung für komponenten von optischen und/oder feinmechanischen aufbauten - Google Patents

Abstandselement für eine haltevorrichtung für komponenten von optischen und/oder feinmechanischen aufbauten Download PDF

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Schott Glas
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Definitions

  • Spacer element for a holding device for components of optical and / or fine mechanical structures
  • the invention relates to a spacer element for a holding device for components of optical and / or precision mechanical structures and a
  • An example of a modular system with optical components is a microbench system, such as that manufactured by Spindler & Hoyer, Göttingen.
  • the individual components of the system are held or connected to one another by means of spacer elements.
  • spacer elements To date, stainless steel or aluminum have mostly been used as materials for these spacer elements.
  • the individual components were preferably fixed to the spacer elements by means of screws.
  • the object of the invention is therefore to provide a spacer element which on the one hand has sufficient temperature invariance for a precision fixation and on the other hand enables the individual components to be fixed.
  • the object is achieved in that the spacer is a material with a thermal expansion ⁇ 5 x 10 "6 K '1 , preferably ⁇ 2 x 10 " 6
  • the material is a glass ceramic, in particular Zerodur (brand name from Schott Glas, Mainz).
  • the material comprises a metal alloy, in particular Invar, a ceramic or a fiber-reinforced plastic.
  • the spacer elements are particularly preferably rod-shaped.
  • the invention also provides a method for producing the same.
  • the method step of clamping the drilled-out rods is of crucial importance, since only such clamping, in which the fixing from both ends of the rod takes place without a tip, is turned to the required dimension with an accuracy of ⁇ 50 ⁇ m or in a particularly preferred embodiment ⁇ 10 ⁇ m.
  • the spacer elements according to the invention are particularly preferably used in systems for optical and / or precision mechanical structures.
  • the systems are so-called microbench system kits which, when using only a few basic components, permit a very variable and flexible optical structure.
  • the fixing device for example screws passed through the components, which come to rest or clamp with the spacer, consist of a soft material on the side facing the spacer element.
  • the fixing device for example screws passed through the components, which come to rest or clamp with the spacer, consist of a soft material on the side facing the spacer element.
  • Such an embodiment prevents the spacing elements from breaking due to the compressive stress during fixing. This is particularly the case when glass ceramics are used as materials for the spacer elements, for example Zerodur.
  • the fixing elements can be screws with a soft screw end, but screws are also conceivable that consist entirely of a soft material, for example a plastic.
  • Figure 1 shows a system with several recording components
  • Spacer elements which is assembled into a microbench system.
  • Figure 2 is a perspective view of a component for optical and / or precision mechanical structures with several spacer elements according to the invention.
  • Figure 1 shows a top view and schematic representation of a microbench system comprising a total of three holding devices 1.1, 1.2 and
  • the individual holding devices 1.1, 1.2, 1.3 are connected to one another by the spacer elements 3.1, 3.2 according to the invention and, after being fixed thereon, are held at a distance from adjacent holding devices for components both in the longitudinal direction X and in the transverse direction Y, for example with screws.
  • the spacers 3.1, 3.2 are rod-shaped and consist of a material with a low thermal expansion, preferably ⁇ 5 x 10 " 8 K '1 , particularly preferably ⁇ 0.1 x 10 " 6 K "1.
  • the above-mentioned thermal expansion of the materials relates to a temperature range of approx. -20 to + 300 ° C, preferably to a temperature range of 0 to
  • Glass ceramics for example Zerodur from Schott Glas, Mainz, are particularly suitable as a particularly preferred material with low thermal expansion.
  • the fiber-reinforced plastics can comprise both glass fibers and carbon fibers.
  • FIG. 2 shows a holding device for an optical component 10 with a total of four spacers 12.1, 12.2, 12.3, 12.4.
  • the holding element 10 is a holder with a centered opening 14 into which an optical component, for example a lens, can be inserted.
  • the spacer elements 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 are carried out through a total of four bores in the holding element, which are not shown here.
  • the individual spacer elements 12.1, 12.2, 12.3 and 12.4 are rod-shaped and made of a material with a coefficient of thermal expansion less than ⁇ 5 x 10 "6 K " 1 in the temperature range from -20 to + 300 ° C.
  • the spacer elements designed as rods which preferably consist of a
  • Glass ceramics with a low coefficient of thermal expansion are produced by drilling them out of a glass ceramic block, subsequent round machining in which the clamping takes place without centers and to the extent that turning to size with an accuracy of ⁇ 50 ⁇ m, preferably ⁇ 10 ⁇ m is possible. Only such precise processing allows the
  • the diameter of the individual rods designed as spacer elements is approximately 6 cm, the bore 14 for the socket has a diameter of approximately 25 to 35 cm.
  • the screws are made of a soft material in the area in which the screw comes into contact with the spacer element.
  • the screws 16 are particularly preferably made entirely of a soft material, for example a plastic material such as polyethylene or Teflon.
  • the plastic screws are preferably designed as knurled screws.
  • metal-ceramic spacers can also be used with metal-ceramic spacers, but these must then be tightened with torque screwdrivers in order to limit the force acting on the spacer and thus counteract the risk of breakage.
  • the spacer elements are used in modular systems for optical and / or precision mechanical structures.
  • this enables a flexible and inexpensive construction.
  • a temperature-invariable precision fixation is possible for the first time for such an inexpensive construction, which is economical

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abstandselement für eine Haltevorrichtung für Komponenten von optischen und/oder feinmechanischen Aufbauten. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandselement ein Material mit einer Wärmeausdehnung < 5 x 10<-6> K<-1> umfasst.

Description

Abstandselemeπt für eine Haltevorrichtung für Komponenten von optischen und/oder feinmechanischen Aufbauten
Die Erfindung betrifft ein Abstandselement für eine Haltevorrichtung für Komponenten von optischen und/oder feinmechanischen Aufbauten sowie ein
Verfahren zur Herstellung eines derartigen Abstandselementes.
In optischen und/oder feinmechanischen Anwendungen werden sehr oft Baukastensysteme eingesetzt, deren einzelne Komponenten zu einem Gesamtaufbau zusammengesetzt werden. Derartige Systeme sind zum einen sehr flexibel und zum anderen kostengünstig.
Ein Beispiel für ein Baukastensystem mit optischen Komponenten ist ein Mikrobank-System, wie es beispielsweise von der Firma Spindler & Hoyer, Göttingen hergestellt wird. Die einzelnen Komponenten des Systems werden mittels Abstandselementen gehalten bzw. miteinander verbunden. Als Materialien für diese Abstandselemente wurden bislang zumeist Edelstahl oder Aluminium eingesetzt. Die Fixierung der einzelnen Komponenten erfolgte an den Abstandselementen bevorzugt mittels Schrauben.
Nachteilig an den zuvor beschriebenen Abstandselementen war, daß aufgrund der thermischen Längenausdehnung temperaturinvariante Präzisionsfixierungen nicht möglich waren.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Abstandselement anzugeben, daß zum einen eine ausreichende Temperaturinvarianz für eine Präzisionsfixierung aufweist, und andererseits eine Fixierung der Einzelkomponenten ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Abstandshalter ein Material mit einer Wärmeausdehnung < 5 x 10"6 K'1, bevorzugt < 2 x 10"6
K"1, besonders bevorzugt < 0,1 x 10"6 K'1 umfaßt. In einer ersten Ausführuπgsform ist vorgesehen, daß das Material eine Glaskeramik, insbesondere Zerodur (Markeπbezeichnung der Firma Schott Glas, Mainz) ist. Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, daß das Material eine Metallegierung, insbesondere Invar, eine Keramik oder einen faserverstärkten Kunststoff umfaßt.
Besonders bevorzugt sind die Abstandselemente stabförmig ausgebildet.
Neben den Abstandselementen stellt die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen derselben zur Verfügung.
Bei diesem Verfahren gemäß Anspruch 9 ist der Verfahrensschritt des Einspannens der ausgebohrten Stäbe von ganz entscheidender Bedeutung, da nur eine derartige Einspannung, bei der die Fixierung von beiden Stabenden her spitzenlos erfolgt, ein Abdrehen auf das geforderte Maß mit einer Genauigkeit < 50 μm bzw. in einer besonders bevorzugten Ausführungsform < 10 μm, ermöglicht.
Besonders bevorzugt werden die erfindungsgemäßen Abstandselemente in Systemen für optische und/oder feinmechanischen Aufbauten eingesetzt.
Insbesondere handelt es sich bei den Systemen um sogenannte Mikrobanksystembaukästen, die bei Verwendung von nur wenigen Grundkomponenten einen sehr variablen und flexiblen optischen Aufbau zulassen.
Um die Komponenten des Mikrobanksystems an den Abstandselementen zu fixieren, ist mit Vorteil vorgesehen, daß die Fixiervorrichtung, beispielsweise durch die Komponenten hindurchgeführte Schrauben, die mit dem Abstandshalter zur Anlage bzw. Klemmung kommen, auf der dem Abstandselement zugewandten Seite aus einem weichen Material bestehen. Eine derartige Ausführungsform verhindert, daß beim Fixieren die Abstaπdselemeπte aufgrund der Druckbeanspruchung brechen. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Glaskeramiken als Materialien für die Abstandselemente, beispielsweise dem Zerodur der Fall.
In einer besonders vorteilhaften Form können die Fixierelemente Schrauben mit einem weichen Schraubenende sein, denkbar sind aber auch Schrauben, die vollständig aus einem weichen Material, beispielsweise einem Kunststoff bestehen.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Figuren beispielshaft beschrieben werden.
Es zeigen:
Figur 1 ein System mit mehreren Aufnahmekomponeπten und
Abstandselementeπ, das zu einem Mikrobanksystem zusammengebaut ist.
Figur 2 eine perspektivische Darstellung einer Komponente für optische und/oder feinmechanische Aufbauten mit mehreren erfindungsgemäßen Abstandselementen.
Figur 1 zeigt in einer Draufsicht und schematischen Darstellung ein Mikrobanksystem umfassend insgesamt drei Haltevorrichtungen 1.1 , 1.2 sowie
1.3 für Komponenten von optischen und/oder feinmechanischen Aufbauten. Die einzelnen Haltevorrichtungen 1.1 , 1.2, 1.3 sind durch die erfindungsgemäßen Abstandselemente 3.1 , 3.2 miteinander verbunden und werden nach Fixierung an diesen, beispielsweise mit Hilfe von Schrauben sowohl in Längsrichtung X wie in Querrichtung Y auf Abstand zu benachbarten Halteeinrichtungen für Komponenten gehalten. Die Abstandshalter 3.1 , 3.2 sind stabförmig ausgebildet und bestehen aus einem Material mit einer geringen Wärmeausdehnung, vorzugsweise < 5 x 10" 8 K'1, besonders bevorzugt < 0,1 x 10"6 K"1. Die obengenannte Wärmeausdehnung der Materialien bezieht sich auf einen Temperaturbereich von ca. -20 bis +300° C, bevorzugt auf einen Temperaturbereich von 0 bis
+50°C. Als besonders bevorzugtes Material mit geringer Wärmeausdehnung kommen insbesondere Glaskeramiken in Betracht, beispielsweise Zerodur der Firma Schott Glas, Mainz.
Neben Glaskeramikmaterialieπ ist auch der Einsatz von Metallegierungen,
Keramiken sowie faserverstärkten Kunststoffen möglich. Die faserverstärkten Kunststoffe können sowohl Glasfasern wie Kohlenstoffasem umfassen.
In Figur 2 ist eine Halteeinrichtung für eine optische Komponente 10 mit insgesamt vier Abstandshaltern 12.1 , 12.2, 12.3, 12.4 gezeigt. Das
Halteelement 10 ist vorliegend eine Fassung mit einer zentrierten Öffnung 14, in die eine optische Komponente, beispielsweise eine Linse eingesetzt werden kann. Die Abstandselemente 12.1 , 12.2, 12.3, 12.4 werden durch insgesamt vier Bohrungen des Halteelementes, die vorliegend nicht dargestellt sind, durchgeführt. Wiederum sind die einzelnen Abstandselemente 12.1 , 12.2, 12.3 sowie 12.4 stabförmig ausgebildet und aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten geringer als < 5 x 10"6 K"1 im Temperaturbereich von -20 bis +300° C ausgebildet.
Die als Stäbe ausgebildeten Abstandselemente, die bevorzugt aus einer
Glaskeramik mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, werden durch Herausbohren aus einem Glaskeramikblock, anschließendes Rundbearbeiten bei dem die Einspannung spitzenlos erfolgt und insoweit ein Abdrehen auf Maß mit einer Genauigkeit < 50 μm, bevorzugt < 10 μm möglich ist, hergestellt. Erst eine derart genaue Bearbeitung erlaubt den
Einsatz von Glaskeramikmaterialien zur Herstellung von Abstandselementen, die den Anforderungen an die Paßgenauigkeit für einen optischen und/oder feinmechanischen Aufbau erfüllen.
Der Durchmesser der einzelnen als Abstandselemente ausgebildeten Stäbe beträgt ca. 6 cm, die Bohrung 14 für die Fassung weist einen Durchmesser von ca. 25 bis 35 cm auf.
Die Fixierung der Abstandselemente 12.1 , 12.2, 12.3, 12.4 erfolgt mit Hilfe von in die Halteeinrichtung 10 eingetretenen Schrauben 16 durch Kraftschluß. Um zu verhindern, daß aufgrund der kraftschlüssigen Verbindung von Schraube
16 und Abstandselement 12.1 , 12.2, 12.3, 12.4 eine Beschädigung, insbesondere ein Bruch des Abstandselementes auftritt, sind die Schrauben in dem Bereich, in dem die Schraube mit dem Abstaπdselement zur Anlage kommt, aus einem weichen Material ausgebildet. Besonders bevorzugt sind die Schrauben 16 vollständig aus einem weichen Material, beispielsweise einem Kunststoffmaterial wie Polyethylen oder Teflon.
Bevorzugt sind die Kuπststoffschrauben als Rändel-Schrauben ausgebildet.
Alternativ zur Ausbildung als Kunststoffschrauben können bei der Verwendung von Glaskeramik-Abstandshaltern auch Metallschrauben zum Einsatz gelangen, allerdings müssen diese dann mit Drehmomentschraubenziehern angezogen werden, um die auf den Abstandshalter wirkende Kraft zu begrenzen und somit der Bruchgefahr zu begegnen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Abstandselemente in System baukästen für optische und/oder feinmechanische Aufbauten Verwendung finden. Dies ermöglicht zum einen einen flexiblen und kostengünstigen Aufbau. Mit der Erfindung ist erstmals für einen derartigen kostengünstigen Aufbau eine temperaturinvariante Präzisionsfixierung möglich, der die wirtschaftlichen Vorteile eines Systembaukastens mit den technischen Vorteilen der Materialeigenschaften verbindet.

Claims

Patentansprüche
1. Abstandselemeπt für eine Haltevorrichtung für Komponenten von optischen und/oder feinmechanischen Aufbauten, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement ein Material mit einer Wärmeausdehnung < 5 x lO^ K"1 umfaßt.
2. Abstandselement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine Wärmeausdehnung < 2 x 10"6 K'1 umfaßt.
3. Abstandselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine Wärmeausdehnung < 0,1 x 10"6 K" umfaßt.
4. Abstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine Glaskeramik, insbesondere Zerodur ist.
5. Abstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine Metallegierung, insbesondere Invar ist.
6. Abstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein keramisches Material ist.
7. Abstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material einen faserverstärkten Kunststoff, insbesondere eine
Glasfaser oder eine Kohlenstoffaser umfaßt.
8. Abstandselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement stabförmig ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Abstandselementes gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 8, umfassend folgende Schritte:
9.1 Ausbohren der Abstandselemente aus einem Materialblock, umfassend insbesondere Glaskeramik;
9.2 Einspannen der ausgebohrten Abstandselemente in eine Rundiermaschine, wobei eine Fixierung des eingespannten
Gegenstandes von beiden Enden her spitzenlos erfolgt, derart, daß ein Abdrehen auf Maß mit einer Genauigkeit < 50 μm, insbesondere < 10 μm möglich ist;
9.3 Ablängen des Abstandselementes und Facettierung seiner Enden.
10. System für optische und/oder feinmechanische Aufbauten, dadurch gekennzeichnet, daß das System wenigstens ein Abstandselemeπt der Ansprüche 1 bis 8 umfaßt.
11. System gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das System ein Mikrobanksystem ist.
12. System gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das System Einrichtungen zur Fixierung der Abstandselemente an den Komponenten des optischen und/oder feinmechanischen Aufbaus umfaßt, wobei zumindest die zur Anlage mit dem Abstandselement kommenden Enden der Fixiereinrichtung aus einem weichen Material bestehen.
13. System gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixiereinrichtungen Schrauben umfassen.
14. System gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Schraube aus einem weichen Material besteht.
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