WO2024008548A1 - Mikrooptikmodul zur auswertung optischer stromsensoren und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Mikrooptikmodul zur auswertung optischer stromsensoren und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO2024008548A1
WO2024008548A1 PCT/EP2023/067825 EP2023067825W WO2024008548A1 WO 2024008548 A1 WO2024008548 A1 WO 2024008548A1 EP 2023067825 W EP2023067825 W EP 2023067825W WO 2024008548 A1 WO2024008548 A1 WO 2024008548A1
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housing
module
electro
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PCT/EP2023/067825
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Thomas JUDENDORFER
Stefan Schuberth
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Siemens Energy Global GmbH & Co. KG
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Definitions

  • the invention relates to a micro-optics module for evaluating optical current sensors and its production, as well as a method for assembling circuit boards, wherein the micro-optics module has at least one housing which includes at least one predefined holder for at least one optical and/or electro-optical component.
  • Circuit boards in particular PCB circuit boards, can be equipped with electrical components such as resistors, capacitors and other electronic components.
  • Photodiodes which convert light into an electrical current and are housed in standard housings, also do not pose a problem for modern circuit board assembly machines. However, photodiodes can only be used to carry out simple binary or analog intensity measurements.
  • More complex optical structures which e.g. B. Beam splitting, polarimetric filtering, interference filters, optical fiber coupling, cannot be produced directly on a circuit board by assembly machines or by hand in good quality. These are implemented separately from the circuit board in a separate, high-precision optical structure. An extremely precise holder or fixation, possibly temperature-compensated, is necessary for optical components. This leads to high material and production costs, which results in high product costs. In the case of cost-effective products, the use of optical structures is therefore avoided if possible. If optical sensors are necessary, only those that reduce the property to be detected to an intensity measurement are used. This also applies to optical current sensors. This limits the range of functions of the assemblies and/or modules.
  • Measuring devices that use optical elements internally are built according to the principle of either free-beam optics or fiber optics. If the free-beam optics method is used, any optical structure can be implemented that does not exceed a size specified for the product. Compared to microelectronics, large and heavy optical components are used for these structures, the material value of which is very high.
  • the production of structures with free-jet optics takes place in dust-reduced clean rooms. It requires very expensive, precision mechanical, optomechanical mounts that are adjusted to the nearest micrometer by skilled personnel in lengthy production processes.
  • the invention is based on the object of specifying a micro-optical module, a method for producing it and a method for producing a printed circuit board, which solve the problems described above.
  • it is the task of specifying a simple, cost-effective, stable micro-optic module, specifying a simple way of producing the micro-optic module and specifying its use in connection with printed circuit boards.
  • micro-optic module for evaluating optical current sensors with the features of claim 1
  • a method for producing a micro-optic module for evaluating optical current sensors in particular a previously described micro-optic module, according to claim 11, and / or a method for producing a circuit board with a previously described micro-optical module solved according to claim 12.
  • Advantageous embodiments of the micro-optical module according to the invention for evaluating optical current sensors are specified in the subclaims. Subjects of the main claim can be combined with features of subclaims and features of the subclaims with one another.
  • a micro-optical module according to the invention for evaluating optical current sensors comprises at least one housing, which comprises at least one predefined holder for at least one optical and/or electro-optical component.
  • the at least one housing, with the at least one predefined holder, is manufactured according to the invention by 3D printing.
  • 3D printing makes it possible to provide a stable housing with at least one predefined holder or holders for optical and/or electro-optical components, for a micro-optical module for evaluating optical current sensors, in a simple and cost-effective manner. Thanks to 3D printing, holders in the housing for components with high precision and low deviation are simple and cost-effective. can be manufactured inexpensively and meet the high demands of adjusting optical and/or electro-optical components. There is no need for time-consuming readjustment and setting by hand by highly qualified, expensive personnel.
  • the at least one housing can be made of a metal and/or include metal, in particular aluminum, steel, copper, bronze and/or tungsten carbide. These materials are temperature-resistant, have little volume changes with temperature changes, are mechanically and long-term stable, cost-effective and can be easily processed using 3D printing.
  • the at least one housing can comprise at least one device for fastening to circuit boards, in particular for manual and/or automatic assembly of circuit boards. This enables simple, cost-effective assembly of circuit boards with the micro-optical module, in particular by hand, semi-automatically and/or fully automatically.
  • the housing can be designed as an SMD or through-hole component for manual and/or automatic assembly of circuit boards. This allows a simple, cost-effective production of printed circuit boards equipped with the micro-optical module, without the need for readjustment of optical and/or electro-optical components on the printed circuit board, with the advantages described above.
  • the housing can include micro-optics with at least one optical and/or electro-optical component.
  • the micro-optics in the housing can be manufactured easily and cost-effectively, without complex readjustment of individual optical and/or electro-optical components, since the holders can be produced in 3D printing without major production deviations or errors. This means that the micro-optic modules can be produced easily and cost-effectively and can easily be further processed, e.g. B. when assembling circuit boards.
  • the housing can comprise at least one optical filter, at least one optical lens, at least one beam splitter plate and/or at least one polarization beam splitter as an optical component.
  • the housing can comprise at least one light emitter, in particular an LED, and/or at least one electro-optical sensor, in particular a photodiode, as an electro-optical component.
  • a light emitter in particular an LED
  • an electro-optical sensor in particular a photodiode
  • micro-optics can be produced easily and cost-effectively, with a wide range of functions, especially for optical current measurement.
  • the housing can include at least one holder for an optical fiber. This means that optical signals, especially when measuring current, can be easily and reliably coupled in and/or out of the micro-optical module.
  • the housing can have dimensions, in particular in height, length and width, in the millimeter range up to a few centimeters, e.g. B. in the range of 1 to 10 millimeters and / or in the range of 1 millimeter to 10 centimeters. This means that the dimensions of the micro-optic module are in ranges that fit well on circuit boards.
  • the micro-optic module can have a weight in the gram range, in particular in the range from 1 to 100 grams. This means that no large vibrations and movements of the micro-optic module, especially on a circuit board, are possible, which can lead to damage or even destruction. Low mass corresponds to low material consumption, which is associated with low costs. Disadvantages of optical structures with high mass and large dimensions, as described above, can be avoided in this way.
  • a method according to the invention for producing a micro-optical module for evaluating optical current sensors, in particular a previously described micro-optical module, with at least one housing, which has at least one predefined holder for at least one optical and/or electro-optical cal component includes that the at least one housing with the at least one predefined holder is produced by 3D printing.
  • a method according to the invention for producing a printed circuit board, which comprises at least one micro-optical module described above, comprises that the printed circuit board is equipped with the at least one micro-optical module, in particular designed as an SMD or through-hole component, by hand and/or with at least one automatic assembly machine.
  • FIG. 1 shows schematically a micro-optical module 1 according to the invention for evaluating optical current sensors, with holders 3 for optical and/or electro-optical components 4 in a housing 2, produced by 3D printing, and
  • FIG. 2 shows schematically the micro-optical module 1 of FIG. 1, with cover 10, optical fiber 7 and connections 9 of electro-optical components 4, arranged on a circuit board 8.
  • 1 shows a schematic top view of a micro-optical module 1 according to the invention for evaluating optical current sensors.
  • the micro-optical module 1 has a housing 2, which can be easily manufactured using 3D printing, in particular with very precise dimensions, with low production tolerances and at low cost and with little effort.
  • the housing 2 is z. B. made of a metal and / or includes a metal, in particular aluminum, steel, copper, bronze and / or tungsten carbide, which ensures high mechanical stability, in particular long-term stability, with a stable shape even in the event of temperature changes.
  • Holders 3 for optical and/or electro-optical components 4 are formed in the housing 2.
  • Optical components 4 are e.g. B. optical filters, optical lenses, beam splitter plates or beam splitters and / or polarization beam splitters or polarization filters.
  • Electro-optical components 4 are e.g. B. light emitters, especially LEDs, and electro-optical sensors, especially photodiodes. These are e.g. B.
  • micro-optics ie in small dimensions, in particular in the range of millimeters to a few centimeters, and with low weight, in particular in the range of one to several grams.
  • a housing 2 which is also designed in small dimensions, ie dimensions is, especially in height, length and width, e.g. B. in the millimeter range up to a few centimeters, in particular in the range from 1 to 10 millimeters and / or in the range from 1 millimeter to 10 centimeters, and with a weight z. B. in the gram range, in particular in the range from 1 to 100 grams, small and light micro-optical modules 1 are possible.
  • B. in the millimeter range in the millimeter range up to a few centimeters, in particular in the range from 1 to 10 millimeters and / or in the range from 1 millimeter to 10 centimeters, and with a weight z.
  • B. in the gram range in particular in the range from 1 to 100 grams, can be installed or arranged on circuit boards 8. Due to the low weight, circuit boards 8 are only slightly affected by vibrations caused by the micro-optical modules 1, and damage or even destruction of the populated circuit boards 8 can be avoided.
  • Micro-optical modules 1 are assembled or arranged on a circuit board 8, for example. B. by hand or by a placement machine. The micro-optic modules 1 are for this purpose. B.
  • the device 5 comprises, for example. B. soldering points and / or bores or through holes via which the micro-optical modules 1 can be arranged or positioned and / or fastened on the circuit board 8, e.g. B. by soldering, riveting, bolts and/or screws.
  • the micro-optical module 1 of Figure 1 is shown schematically, with a cover 10, an optical waveguide 7 and connections 9 of electro-optical components 4.
  • the micro-optics module 1 is arranged on a circuit board 8 in the exemplary embodiment of FIG.
  • An optical signal to be processed, in particular for current measurement, is z. B. coupled or fed into the micro-optical module 1 via an optical waveguide 7, the end of which is arranged in a holder 6 formed in the housing 2.
  • the holders 3 for components 4 such as. B. electro-optical sensors and optical components, ie in 3D printing with trained or predefined holders 3, in particular enable the arrangement of electro-optical sensors with connections 9 at defined locations, where z. B. connections 9 can emerge from the housing 2 and electrically can be connected, in particular with electrical components of the circuit board 8, which are not shown in the figures for the sake of simplicity.
  • Electrical circuits, in particular on the circuit board 8, for controlling and processing electrical signals from the electro-optical components 4, such as. B. Sensors and LEDs, arranged in or on the housing 2 of the micro-optical module 1, can be electrically connected to the electro-optical components 4 in this way.
  • the optical components or optical components 4 can be positioned with sufficient precision through the integrated optical holders 3, i.e.
  • External optical sensors can be connected to the micro-optics. Externally connected optical sensors can receive an optical input signal and their returned optical output signal can be re-coupled into the micro-optics.
  • the light or optical signals can optionally be passed through further miniaturized optical components with different functionality and serve to connect optical sensors for current measurement, which, for. B. based on the Faraday effect.
  • two optical components 4 are shown in holders 3, for example. B. in particular plate-shaped beam splitters and / or polarization beam splitters.
  • an optical waveguide 7 is fastened in a spatially defined and aligned manner in or on the housing 2 via a holder 6.
  • an electro-optical component 4 e.g. B. an LED
  • the electrical connections 9 of the electro-optical component 4 are shown as three bars as an example. These can be connected to components of an electrical circuit on the circuit board 8.
  • the circuit controls the electro-optical component 4, e.g. B. the LED, electrically and the light generated by the LED is partially coupled into the optical waveguide 7 via the beam splitter.
  • the optical waveguide 7 passes adjacent to an electrical conductor whose current flow is to be measured or determined, which is not shown in the figures for the sake of simplicity.
  • the light of the LED in the optical fiber 7 is influenced or changed by the Faraday effect when current flows in the current-carrying conductor depending on the current flow, e.g. B. the polarization of the light is changed, which z. B. was polarized when passing through the polarization beam splitter.
  • the light changed by the electrical current is reflected back and enters the micro-optical module 1 again via the optical waveguide 7.
  • two holders 3 for optical and/or electro-optical components 4 are arranged on two parallel axes, as shown in Figure 1.
  • optical and/or electro-optical components 4 are arranged in the holders.
  • lenses can be arranged as optical components 4 in the holders 3 in order to transmit light from the micro-optical module 1 to external electro-optical components, such as. B. photodiodes, in particular on the circuit board 8, to conduct.
  • photodiodes can be arranged as optical components 4 in the holders 3 directly, in a spatially stable manner, in order to measure light or the intensity of light and convert them into electrical signals, which e.g. B. can be evaluated by components on the circuit board 8.
  • the light signal which z. B. after being influenced by the current to be measured or determined emerges from the optical waveguide 7 and is coupled or irradiated into the micro-optical module 1, falls on the two plate-shaped beam splitters and / or polarization beam splitters, and from there on two photodiodes for measurement or intensity determination is guided and/or reflected.
  • Light from the LED and/or polarized light is used as a reference signal Entry into the optical waveguide 7 is guided and/or reflected through the two plate-shaped beam splitters and/or polarization beam splitters onto the two photodiodes opposite the first two photodiodes for measurement or intensity determination.
  • the circuit on the circuit board 8 provides an output signal, e.g. B. optically on a display and/or electrically for further processing, which corresponds to a standardized current measurement.
  • the result can e.g. B. by comparing the output signal of the LED and / or the polarized light in the optical waveguide 7, with light from the optical waveguide 7 after adjacent passage of the current-carrying conductor, e.g. B. filtered according to polarization or polarization change.
  • the intensities are z. B. measured by photodiodes and processed by the electronic circuit, in particular on the circuit board 8, e.g. B.
  • the current strength can be determined through calibration, particularly in the ampere to kiloampere range, especially in high-voltage systems.
  • the exemplary embodiments described above can be combined with one another and/or can be combined with the prior art.
  • B In addition to current, other physical quantities can also be measured that change an optical signal. Further applications for micro-optics are possible.
  • a wide variety of optical and/or electro-optical components 4 can be used for different arrangements and measurements.
  • the structure of holders 3 in the housing 2 shown in the figures is only an example, for one use case. Other arrangements of holders 3, with different shapes and numbers of holders
  • micro-optical modules 1 can be created easily and cost-effectively for many possible areas of application, with stable holders that enable the arrangement of optical and/or electro-optical components simply and cost-effectively, with long-term stability, without requiring a lot of personnel for adjustment necessary is.
  • the small size and low weight allow for easy installation, e.g. B. on PCB's (Printed Circuit Board) or printed circuit boards, without the risk of destruction due to vibrations.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mikrooptikmodul (1) zur Auswertung optischer Stromsensoren und dessen Herstellung sowie ein Verfahren zur Bestückung von Leiterplatten, wobei das Mikrooptikmodul (1) wenigstens ein Gehäuse (2) aufweist, welches wenigstens eine vordefinierte Halterung (3) für wenigstens ein optisches und/oder elektrooptisches Bauteil (4) umfasst. Das wenigstens eine Gehäuse (2) mit der wenigstens einen vordefinierten Halterung (3) ist durch 3D Druck hergestellt.

Description

Beschreibung
MIKROOPTIKMODUL ZUR AUSWERTUNG OPTISCHER STROMSENSOREN UND VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG
Die Erfindung betrifft ein Mikrooptikmodul zur Auswertung optischer Stromsensoren und dessen Herstellung sowie ein Verfahren zur Bestückung von Leiterplatten, wobei das Mikrooptikmodul wenigstens ein Gehäuse aufweist, welches wenigstens eine vordefinierte Halterung für wenigstens ein optisches und/oder elektrooptisches Bauteil umfasst.
Die Fertigung von elektronischen Baugruppen und Modulen ist einfach und kostengünstig in hoher Stückzahl und guter Qualität von Hand, halb- und vollautomatisch möglich. Dabei kann eine Bestückung von Leiterplatten, insbesondere PCB Leiterplatten, mit elektrischen Komponenten wie Widerständen, Kondensatoren und sonstigen elektronischen Bauelementen erfolgen. Fotodioden, welche Licht in einen elektrischen Strom umwandeln und in Standardgehäusen untergebracht sind, stellen für moderne Leiterplattenbestückungsautomaten ebenfalls kein Problem dar. Mit Fotodioden können jedoch nur einfache binäre oder analoge Intensitätsmessungen durchgeführt werden.
Komplexere optische Aufbauten, welche z. B. Strahlteilung, polarimetrische Filterung, Interferenzfilter, Lichtwellenleitereinkopplung umfassen, sind nicht direkt auf einer Leiterplatte durch Bestückungsautomaten oder per Hand in guter Qualität herstellbar. Diese werden getrennt von der Leiterplatte in einem separaten, hochgenauen optischen Aufbau realisiert. Für optische Komponenten ist eine äußerst exakte Halterung bzw. Fixierung, unter Umständen temperaturkompensiert, notwendig. Dies führt zu hohen Material- und Produktionskosten, woraus hohe Produktkosten entstehen. Bei kostengünstigen Produkten wird deshalb auf den Einsatz von optischen Aufbauten, wenn möglich verzichtet. Sind optische Sensoren notwendig, so werden nur solche verwendet, welche die zu detektierende Eigenschaft auf eine Intensitätsmessung reduzieren. Dies gilt ebenfalls für optische Stromsensoren. Dadurch ist der Funktionsumfang der Baugruppen und/oder Module eingeschränkt.
Messgeräte, welche intern optische Elemente verwenden, sind entweder nach dem Prinzip der Freistrahloptik oder der Faseroptik auf gebaut. Wird die Methode der Freistrahloptik verwendet, so ist jeder optische Aufbau realisierbar, der eine für das Produkt festgelegte Größe nicht überschreitet. Für diese Aufbauten werden im Vergleich zur Mikroelektronik große und schwere optische Komponente verbaut, deren Materialwert sehr hoch ist. Die Produktion von Aufbauten in Freistrahloptik erfolgt in staubreduzierten Reinräumen. Sie erfordert sehr preisintensive feinmechanische, optomechanische Halterungen, die auf Mikrometer genau, von fachlich versiertem Personal, in langwierigen Produktionsprozessen justiert werden.
Eine zweite Möglichkeit, die Verwendung von Faseroptiken, ist eine Weiterentwicklung der Freistrahloptik. Dabei ist das Handling der sehr empfindlichen optischen Faser zeitraubend und erfordert ebenfalls gut geschultes Personal. Nicht jedes optische Bauteil ist zudem auch als Faseroptikbauteil umsetzbar oder bei Zulieferern in reproduzierbarer Qualität erhältlich. Die Faser und die vorhandenen optischen Komponenten sind sehr temperatur- und stoßempfindlich, da der Lichtstrahl in einem optischen Medium verläuft, das bei Druck- und Temperaturänderungen seine optischen Eigenschaften ändert. Läuft der Lichtstrahl über lange Entfernungen in einem Lichtwellenleiter, so werden diese Effekte immer ausgeprägter, was zu einer hohen Fehleranfälligkeit führt.
Beide Methoden, optische Aufbauten zu realisieren, sind nicht kompatibel mit einer Bestückung auf elektronischen Leiterplatten . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikrooptikmodul, ein Verfahren zu dessen Herstellung und ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte anzugeben, welche die zuvor beschriebenen Probleme lösen. Insbesondere ist es Aufgabe, ein einfaches, kostengünstiges, stabiles Mikrooptikmodul anzugeben, eine einfache Möglichkeit der Herstellung des Mikrooptikmoduls anzugeben sowie dessen Nutzung in Verbindung mit Leiterplatten anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Mikrooptikmodul zur Auswertung optischer Stromsensoren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einem Verfahren zur Herstellung eines Mikrooptikmoduls zur Auswertung optischer Stromsensoren, insbesondere eines zuvor beschriebenen Mikrooptikmoduls, gemäß Anspruch 11, und/oder einem Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte mit einem zuvor beschriebenen Mikrooptikmodul gemäß Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Mikrooptikmoduls zur Auswertung optischer Stromsensoren sind in den Unteransprüchen angegeben. Dabei sind Gegenstände des Hauptanspruchs mit Merkmalen von Unteransprüchen und Merkmale der Unteransprüche untereinander kombinierbar .
Ein erfindungsgemäßes Mikrooptikmodul zur Auswertung optischer Stromsensoren umfasst wenigstens ein Gehäuse, welches wenigstens eine vordefinierte Halterung für wenigstens ein optisches und/oder elektrooptisches Bauteil umfasst. Das wenigstens eine Gehäuse, mit der wenigstens einen vordefinierten Halterung, ist erfindungsgemäß durch 3D Druck hergestellt .
Der 3D Druck ermöglicht, einfach und kostengünstig, ein stabiles Gehäuse mit wenigstens einer vordefinierten Halterung bzw. mit vordefinierten Halterungen für optische und/oder elektrooptische Bauteile, für ein Mikrooptikmodul zur Auswertung optischer Stromsensoren, bereitzustellen. Durch den 3D Druck sind Halterungen im Gehäuse für Bauteile mit hoher Präzision und geringen Abweichung, einfach und kos- tengünstig herstellbar, welche den hohen Ansprüchen der Justage optischer und/oder elektrooptischer Bauteile entsprechen. Eine aufwendige Nach j ustierung und Einstellung per Hand, durch hochqualifiziertes, teures Personal, kann entfallen .
Das wenigstens eine Gehäuse kann aus einem Metall sein und/oder Metall umfassen, insbesondere Aluminium, Stahl, Kupfer, Bronze und/oder Wolframkarbid. Diese Materialien sind temperaturbeständig, mit wenig Volumenänderungen bei Temperaturänderungen, mechanisch und langzeitstabil, kostengünstig und lassen sich einfach per 3D Druck verarbeiten.
Das wenigstens eine Gehäuse kann wenigstens eine Vorrichtung zur Befestigung auf Leiterplatten umfassen, insbesondere zur manuellen und/oder automatischen Bestückung von Leiterplatten. Dadurch ist eine einfache, kostengünstige Bestückung von Leiterplatten mit dem Mikrooptikmodul, insbesondere per Hand, halbautomatisch und/oder vollautomatisch möglich.
Das Gehäuse kann ausgebildet sein als SMD oder Durchlochbauteil zur manuellen und/oder automatischen Bestückung von Leiterplatten. Damit kann eine einfache, kostengünstige Herstellung von Leiterplatten mit dem Mikrooptikmodul bestückt erfolgen, ohne die Notwendigkeit einer Nach j ustierung optischer und/oder elektrooptischer Bauteile auf der Leiterplatte, mit den zuvor beschriebenen Vorteilen.
Das Gehäuse kann eine Mikrooptik mit wenigstens einem optischen und/oder elektrooptischen Bauteil umfassen. Die Mikrooptik in dem Gehäuse kann einfach und kostengünstig gefertigt werden, ohne aufwendige Nach j ustierung einzelner optischer und/oder elektrooptischer Bauteile, da die Halterungen ohne große Produktionsabweichungen bzw. Fehler in 3D Druck herstellbar sind. Damit sind die Mikrooptikmodule einfach und kostengünstig herstellbar, welche leicht weiterverarbeitet werden können, z. B. bei der Bestückung von Leiterplatten. Das Gehäuse kann wenigstens einen optischen Filter, wenigstens eine optische Linse, wenigstens eine Strahlteilerplatte und/oder wenigstens einen Polaristationsstrahlteiler als optisches Bauteil umfassen. Das Gehäuse kann wenigstens einen Lichtemitter, insbesondere eine LED, und/oder wenigstens einen elektrooptischen Sensor, insbesondere eine Photodiode, als elektrooptisches Bauteil umfassen. Mit derartigen Bauteilen sind Mikrooptiken einfach und kostengünstig herstellbar, mit einem großen Funktionsumfang, insbesondere für die optische Strommessung.
Das Gehäuse kann wenigstens eine Halterung für einen Lichtwellenleiter umfassen. Damit sind optische Signale, insbesondere bei einer Strommessung, in das Mikrooptikmodul einfach und zuverlässig ein- und/oder auskoppelbar.
Das Gehäuse kann Abmessungen, insbesondere in Höhe, Länge und Breite, im Millimeterbereich bis hin zu wenigen Zentimetern aufweisen, z. B. im Bereich von 1 bis 10 Millimetern und/oder im Bereich von 1 Millimeter bis 10 Zentimetern. Damit liegen die Dimensionen des Mikrooptikmoduls in Bereichen, welche gut auf Leiterplatten passen.
Das Mikrooptikmodul kann ein Gewicht im Grammbereich aufwei- en, insbesondere im Bereich von 1 bis 100 Gramm. Damit sind keine großen Schwingungen und Bewegungen des Mikrooptikmoduls insbesondere auf einer Leiterplatte möglich, welche zu einer Beschädigung bis hin zur Zerstörung führen können. Geringe Massen entsprechen einem geringen Materialverbrauch, welcher mit geringen Kosten verbunden ist. Nachteile von optischen Aufbauten mit hoher Masse und großen Abmessungen, wie zuvor beschrieben, können derart vermieden werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Mikrooptikmoduls zur Auswertung optischer Stromsensoren, insbesondere eines zuvor beschriebenen Mikrooptikmoduls, mit wenigstens einem Gehäuse, welches wenigstens eine vordefinierte Halterung für wenigstens ein optisches und/oder elektroopti- sches Bauteil umfasst, umfasst, dass das wenigstens eine Gehäuse mit der wenigstens einen vordefinierten Halterung durch 3D Druck hergestellt wird.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte, welche wenigstens ein zuvor beschriebenes Mikrooptikmodul umfasst, umfasst, dass die Leiterplatte mit dem wenigstens einen Mikrooptikmodul, insbesondere ausgebildet als SMD oder Durchlochbauteil, per Hand und/oder mit wenigstens einem Bestückungsautomaten bestückt wird.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Mikrooptikmoduls zur Auswertung optischer Stromsensoren, insbesondere eines zuvor beschriebenen Mikrooptikmoduls, gemäß Anspruch 11, und die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Leiterplatte, welche wenigstens ein zuvor beschriebenes Mikrooptikmodul umfasst, gemäß Anspruch 12, sind analog den zuvor beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Mikrooptikmoduls zur Auswertung optischer Stromsensoren gemäß Anspruch 1 und umgekehrt.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch in den Figuren dargestellt und nachfolgend näher beschrieben .
Dabei zeigen die
Figur 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Mikrooptikmodul 1 zur Auswertung optischer Stromsensoren, mit Halterungen 3 für optische und/oder elektrooptische Bauteile 4 in einem Gehäuse 2, hergestellt durch 3D Druck, und
Figur 2 schematisch das Mikrooptikmodul 1 der Figur 1, mit Abdeckung 10, Lichtwellenleiter 7 und Anschlüssen 9 elektrooptischer Bauteile 4, auf einer Leiterplatte 8 angeordnet. In Figur 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Mikrooptikmodul 1 zur Auswertung optischer Stromsensoren in Aufsicht dargestellt. Das Mikrooptikmodul 1 weist ein Gehäuse 2 auf, welches durch 3D Druck insbesondere sehr präzise in seinen Abmessungen, mit geringen Produktionstoleranzen und zu geringen Kosten sowie mit geringem Aufwand, einfach herstellbar ist. Das Gehäuse 2 ist z. B. aus einem Metall und/oder umfasst ein Metall, insbesondere Aluminium, Stahl, Kupfer, Bronze und/oder Wolframkarbid, wodurch eine hohe mechanische Stabilität, insbesondere Langzeitstabilität , gegeben ist, mit stabiler Form auch bei Temperaturänderungen. In dem Gehäuse 2 sind Halterungen 3 für optische und/oder elektrooptische Bauteile 4 ausgebildet.
Die hohe mechanische und temperaturstabile Form des Gehäuses 2 ermöglicht eine präzise, insbesondere ausgerichtete Halterung bzw. Lagerung und/oder Anordnung der optischen und/oder elektrooptischen Bauteile 4 im Gehäuse 2. Eine Nachjustierung, welche zeitlich und personell aufwendige ist, entfällt. Optische Bauteile 4 sind z. B. optische Filter, optische Linsen, Strahlteilerplatten bzw. Strahlteiler und/oder Polari- stationsstrahlteiler bzw. Polaristaionsf ilter . Elektrooptische Bauteile 4 sind z. B. Lichtemitter, insbesondere LED's, und elektrooptische Sensoren, insbesondere Photodioden. Diese sind z. B. als Mikrooptiken ausgebildet, d. h. in kleinen Dimensionen, insbesondere im Bereich von Millimetern bis hin zu wenigen Zentimetern, und mit geringem Gewicht, insbesondere im Bereich von ein bis mehreren Gramm. Mit einem Gehäuse 2, welches ebenfalls in kleinen Dimensionen, d. h. Abmessungen ausgebildet ist, insbesondere in Höhe, Länge und Breite, z. B. im Millimeterbereich bis hin zu wenigen Zentimetern, insbesondere im Bereich von 1 bis 10 Millimetern und/oder im Bereich von 1 Millimeter bis 10 Zentimetern, und mit einem Gewicht z. B. im Grammbereich, insbesondere im Bereich von 1 bis 100 Gramm, sind kleine und leichte Mikrooptikmodule 1 möglich . Mikrooptikmodule 1, mit Abmessungen z. B. im Millimeterbereich bis hin zu wenigen Zentimetern, insbesondere im Bereich von 1 bis 10 Millimetern und/oder im Bereich von 1 Millimeter bis 10 Zentimetern, und mit einem Gewicht z. B. im Grammbe- reich, insbesondere im Bereich von 1 bis 100 Gramm, sind auf Leiterplatten 8 installierbar bzw. anordenbar. Durch das geringe Gewicht werden Leiterplatten 8 bei Vibrationen durch die Mikrooptikmodule 1 nur gering beeinträchtigt, und eine Beschädigung bis hin zur Zerstörung der bestückten Leiterplatten 8 kann vermieden werden. Eine Bestückung bzw. Anordnung von Mikrooptikmodulen 1 auf einer Leiterplatte 8 erfolgt z. B. per Hand oder durch einen Bestückungsautomaten. Dazu sind die Mikrooptikmodule 1 z. B. als SMD (Surface Mounted Device) und/oder als Durchlochbauteil ausgebildet, d. h. z. B. mit einer Vorrichtung 5 zur Befestigung der Mikrooptikmodule 1 an einer Leiterplatte 8. Die Vorrichtung 5 umfasst z. B. Lötstellen und/oder Bohrungen bzw. durchgehende Löcher, über welche die Mikrooptikmodule 1 auf der Leiterplatte 8 anordenbar bzw. positionierbar und/oder befestigbar sind, z. B. durch Löten, Nieten, Bolzen und/oder Schrauben.
In Figur 2 ist das Mikrooptikmodul 1 der Figur 1 schematisch, mit einer Abdeckung 10, einem Lichtwellenleiter 7 und Anschlüssen 9 elektrooptischer Bauteile 4 dargestellt. Das Mikrooptikmodul 1 ist in dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 auf einer Leiterplatte 8 angeordnet. Ein zu verarbeitendes optisches Signal, insbesondere zur Strommessung, wird z. B. über einen Lichtwellenleiter 7, dessen Ende in einer im Gehäuse 2 ausgebildeten Halterung 6 angeordnet ist, in das Mikrooptikmodul 1 eingekoppelt bzw. eingespeist.
Die im Gehäuse 2 des Mikrooptikmoduls 1 bereits integrierten Halterungen 3 für Bauteile 4 wie z. B. elektrooptische Sensoren und optische Komponenten, d. h. beim 3D Druck mit ausgebildete bzw. vordefinierte Halterungen 3, ermöglichen insbesondere das Anordnen von elektrooptischen Sensoren mit Anschlüssen 9 bereits an definierten Stellen, wo z. B. Anschlüsse 9 aus dem Gehäuse 2 austreten können und elektrisch verbunden werden können, insbesondere mit elektrischen Bauteilen der Leiterplatte 8, welche der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt sind. Elektrische Schaltungen, insbesondere auf der Leiterplatte 8, zur Steuerung und Verarbeitung von elektrischen Signalen der elektrooptischen Bauteile 4, wie z. B. Sensoren und LED's, angeordnet im bzw. am Gehäuse 2 des Mikrooptikmoduls 1, sind derart elektrisch mit den elektrooptischen Bauteilen 4 verbindbar. Die optischen Komponenten bzw. optischen Bauteile 4 sind durch die integrierten optischen Halterungen 3 ausreichend genau, also justagefrei positionierbar und tragen zur Ausbildung einer vordefinierten Mikrooptik bei. An die Mikrooptik können externe optische Sensoren angeschlossen werden. Extern angeschlossene optische Sensoren können ein optisches Eingangssignal erhalten und deren zurückgegebenes optisches Ausgangssignal kann erneut in die Mikrooptik einkoppelt werden. Dabei können die Licht- bzw. optischen Signale gegebenenfalls durch weitere miniaturisierte optische Bauelemente unterschiedlicher Funktionalität geleitet werden und zum Anschluss von optischen Sensoren zur Strommessung dienen, welche z. B. auf dem Faraday-Effekt beruhen.
In der Figur 1 sind beispielhaft zwei optische Bauteile 4 in Halterungen 3 dargestellt, z. B. insbesondere plattenförmige Strahlteiler und/oder Polaristaionsstrahlteiler . Wie Figur 2 zeigt, ist ein Lichtwellenleiter 7 über eine Halterung 6 im bzw. am Gehäuse 2 räumlich definiert und ausgerichtet befestigt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 2 ist eine Halterung 3 für ein elektrooptisches Bauteil 4, z. B. eine LED, angeordnet. In Figur 2 sind die elektrischen Anschlüsse 9 des elektrooptischen Bauteils 4 als drei Balken beispielhaft dargestellt. Diese sind mit Bauteilen einer elektrischen Schaltung auf der Leiterplatte 8 verbindbar. Die Schaltung steuert das elektrooptische Bauteil 4, z. B. die LED, elektrisch an und das von der LED erzeugte Licht wird über die Strahlteiler teilweise in den Lichtwellenleiter 7 eingekoppelt . Der Lichtwellenleiter 7 passiert benachbart einen elektrischen Leiter, dessen Stromfluss zu messen bzw. zu bestimmen ist, was der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt ist. Das Licht der LED im Lichtwellenleiter 7 wird durch den Faraday Effekt bei Stromfluss im stromdurchflossenen Leiter abhängig vom Stromfluss beeinflusst bzw. verändert, z. B. die Polarisation des Lichts wird verändert, welches z. B. beim Durchgang durch den Polaristaionsstrahlteiler polarisiert wurde. Z. B. an einem verspiegelten Ende des Lichtwellenleiters 7, was der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellt ist, wird das durch den elektrischen Strom veränderte Licht zurückgespiegelt und tritt über den Lichtwellenleiter 7 wieder in das Mikrooptikmodul 1 ein.
Senkrecht zur Lichtachse zwischen LED und Lichtwellenleiter 7 sind auf zwei parallelen Achsen jeweils zwei Halterungen 3 für optische und/oder elektrooptische Bauteile 4 angeordnet, wie in Figur 1 dargestellt ist. In den Halterungen sind, wie in der Figur 2 dargestellt ist, optische und/oder elektrooptische Bauteile 4 angeordnet. Z. B. können Linsen als optische Bauteile 4 in den Halterungen 3 angeordnet sein, um Licht aus dem Mikrooptikmodul 1 zu externen elektrooptischen Bauteilen, wie z. B. Photodioden insbesondere auf der Leiterplatte 8, zu leiten. Alternativ oder zusätzlich oder in Kombination können Photodioden als optische Bauteile 4 in den Halterungen 3 direkt, räumlich stabil angeordnet sein, um Licht bzw. die Intensität von Licht zu messen und in elektrische Signale umzuwandeln, welche z. B. durch Bauteile auf der Leiterplatte 8 ausgewertet werden.
Das Lichtsignal, welches z. B. nach der Beeinflussung durch den zu messenden bzw. zu bestimmenden Strom aus dem Lichtwellenleiter 7 austritt und in das Mikrooptikmodul 1 eingekoppelt bzw. eingestrahlt wird, fällt auf die zwei plattenförmige Strahlteiler und/oder Polaristaionsstrahlteiler, und wird von dort auf zwei Photodioden zur Vermessung bzw. Intensi- tätsbestimmung geleitet und/oder reflektiert. Als Referenzsignal wird Licht der LED und/oder polarisiertes Licht vor Eintritt in den Lichtwellenleiter 7 durch die zwei plattenförmigen Strahlteiler und/oder Polaristaionsstrahlteiler auf die den ersten zwei Photodioden gegenüberliegenden zwei Photodioden zur Vermessung bzw. Intensitätsbestimmung geleitet und/oder reflektiert. Damit ist eine Messung des Ausgangssignals und des durch den Strom beeinflussten Lichtsignals möglich, insbesondere Intensitätsmessung, welche in elektrische Signale gewandelt durch eine entsprechende elektrische Schaltung auf der Leiterplatte 8 verglichen und/oder ausgewertet werden kann.
Als Ergebnis liefert die Schaltung auf der Leiterplatte 8 ein Ausgabesignal, z. B. optisch auf einem Display und/oder elektrisch zur Weiterverarbeitung, welches einer normierten Strommessung entspricht. Das Ergebnis kann z. B. durch Vergleich des Ausgangssignals der LED und/oder des polarisierten Lichts in den Lichtwellenleiter 7, mit Licht aus dem Lichtwellenleiter 7 nach benachbartem passieren des stromdurchflossenen Leiters, z. B. nach Polarisation bzw. Polarisationsänderung gefiltert, erfolgen. Die Intensitäten werden z. B. durch Photodioden gemessen und durch die elektronische Schaltung insbesondere auf der Leiterplatte 8 verarbeitet, z. B. durch Operationsverstärker als elektrische Signale bzw. Impulse der Photodioden, weiterverarbeitet durch Elektronik insbesondere auf der Leiterplatte 8, zu einem Signal abhängig des zu messenden Stromes. Durch Eichung ist die Stromstärke, insbesondere im Ampere bis hin zum Kiloampere-Bereich bestimmbar, insbesondere in Hochspannungsanlagen.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können untereinander kombiniert werden und/oder können mit dem Stand der Technik kombiniert werden. So können z. B. neben Strom auch weitere physikalische Größen gemessen werden, welche ein optisches Signal verändern. Weitere Anwendungen für Mikrooptiken sind möglich. Unterschiedlichste optische und/oder elektrooptische Bauteile 4 können für verschiedene Anordnungen und Messungen verwendet werden. Die in den Figuren dargestellte Struktur von Halterungen 3 im Gehäuse 2 ist nur beispielhaft, für einen Anwendungsfall. Andere Anordnungen von Halterungen 3, mit unterschiedlichen Formen und Anzahlen von Halterungen
3 für verschiedene Bauteile und Anwendungen sind möglich. Der Vorteil des 3D Drucks ist, dass einfach und kostengünstig, für viele möglichen Einsatzgebiete Mikrooptikmodule 1 erzeugt werden können, mit stabilen Halterungen, welche die Anordnung von optischen und/oder elektrooptischen Bauteilen einfach und kostengünstig, langzeitstabil ermöglichen, ohne dass ein hoher Personalaufwand für Justage notwendig ist. Die geringe Größe und das geringe Gewicht erlauben eine einfache Montage z. B. auf PCB 's (Printed Circuit Board) bzw. Leiterplatten, ohne die Gefahr der Zerstörung bei Vibrationen.
Bezugs zeichenliste
1 Mikrooptikmodul
2 Gehäuse 3 Halterung optischer und/oder elektroopti scher Bauteile
4 optisches und/oder elektrooptis ches Bauteil
5 Vorrichtung zur Befestigung auf Leiterplatten
6 Halterung für einen Lichtwellenleiter
7 Lichtwellenleiter 8 Leiterplatte
9 Ans chlüs se der elektroopti schen Bauteile
10 Abdeckung

Claims

Patentansprüche
1. Mikrooptikmodul (1) zur Auswertung optischer Stromsensoren, mit wenigstens einem Gehäuse (2) , welches wenigstens eine vordefinierte Halterung (3) für wenigstens ein optisches und/oder elektrooptisches Bauteil (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Gehäuse (2) mit der wenigstens einen vordefinierten Halterung (3) durch 3D Druck hergestellt ist.
2. Mikrooptikmodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Gehäuse (2) aus einem Metall ist und/oder Metall umfasst, insbesondere Aluminium, Stahl, Kupfer, Bronze und/oder Wolframkarbid.
3. Mikrooptikmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Gehäuse (2) wenigstens eine Vorrichtung (5) zur Befestigung auf Leiterplatten umfasst, insbesondere zur manuellen und/oder automatischen Bestückung von Leiterplatten (8) .
4. Mikrooptikmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) ausgebildet ist als SMD oder Durchlochbauteil zur manuellen und/oder automatischen Bestückung von Leiterplatten (8) .
5. Mikrooptikmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) eine Mikrooptik mit wenigstens einem optischen und/oder elektrooptischen Bauteil (4) umfasst.
6. Mikrooptikmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) wenigstens einen optischen Filter, wenigstens eine optische Linse, wenigstens eine Strahlteilerplatte und/oder wenigstens einen Polaristationsstrahlteiler als optisches Bauteil (4) umfasst.
7. Mikrooptikmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) wenigstens einen Lichtemitter, insbesondere eine LED, und/oder wenigstens einen elektrooptischen Sensor, insbesondere eine Photodiode, als elektrooptisches Bauteil (4) umfasst.
8. Mikrooptikmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) wenigstens eine Halterung (6) für einen Lichtwellenleiter (7) umfasst.
9. Mikrooptikmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) Abmessungen, insbesondere in Höhe, Länge und Breite, im Millimeterbereich bis hin zu wenigen Zentimetern aufweist, insbesondere im Bereich von 1 bis 10 Millimetern und/oder im Bereich von 1 Millimeter bis 10 Zentimetern.
10. Mikrooptikmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrooptikmodul (1) ein Gewicht im Grammbereich aufweist, insbesondere im Bereich von 1 bis 100 Gramm.
11. Verfahren zur Herstellung eines Mikrooptikmoduls (1) zur Auswertung optischer Stromsensoren, insbesondere eines Mikrooptikmoduls (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem Gehäuse (2) , welches wenigstens eine vordefinierte Halterung (3) für wenigstens ein optisches und/oder elektrooptisches Bauteil (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Gehäuse (2) mit der wenigstens einen vordefinierten Halterung (3) durch 3D Druck hergestellt wird.
12. Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte, welche wenigstens ein Mikrooptikmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (8) mit dem wenigstens einen Mikrooptikmodul (1) , insbesondere ausgebildet als SMD oder Durchlochbauteil, per Hand und/oder mit wenigstens einem Be stückungsautomaten bestückt wird .
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