PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005049731A1 19.04.2007
Titel Optischer Aufbau mit elastischer Aufhängung und Verfahren zur Herstellung eines solchen
Anmelder Cube Optics AG, 55129 Mainz, DE
Erfinder Smaglinski, Ingo, 55131 Mainz, DE;
Popp, Martin, 55129 Mainz, DE;
Petigk, Thomas, 65428 Rüsselsheim, DE;
Pcatzsch, Thomas, 55116 Mainz, DE
Vertreter Dr. Weber, Dipl.-Phys. Seiffert, Dr. Lieke, 65183 Wiesbaden
DE-Anmeldedatum 14.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005049731
Offenlegungstag 19.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse G02B 7/00(2006.01)A, F, I, 20051014, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G02B 6/24(2006.01)A, L, I, 20051014, B, H, DE   
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aufbau, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Bauteil und einem die Bauteile verbindenden Verbindungselement, das mindestens zwei Federelemente aufweist. Um einen Aufbau, insbesondere einen optischen Aufbau, der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei dem die beiden Bauteile auch bei größeren Temperaturschwankungen eine extrem hohe Positions- und Winkelgenauigkeit zueinander aufweisen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß jedes Federelement eine in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen jeweils mindestens doppelt so große Federkonstante wie in der der dritten, zu den beiden ersten Raumrichtungen senkrechten Raumrichtung, der sogenannten Elastizitätsrichtung, hat, wobei die beiden Federelemente Elastizitätsrichtungen aufweisen, die nicht parallel zueinander verlaufen.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aufbau, insbesondere einen optischen Aufbau, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Bauteil und einem die beiden Bauteile verbindenden Verbindungselement. Es gibt eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, bei denen zwei Bauteile in einem gewissen Abstand zueinander ausgerichtet und fixiert werden müssen. Insbesondere in der Optik müssen optische Bauteile häufig mit extrem hoher Positions- und Winkelgenauigkeit zueinander ausgerichtet werden und dann in der ausgerichteten Position relativ zueinander fixiert werden, um beispielsweise Abbildungsfehler gering zu halten.

Ein Beispiel eines solchen Aufbaus ist in der DE 100 43 985 dargestellt. Hier wird der Abstand zwischen zwei Bauteilen dadurch festgelegt, daß das eine Bauteil mit vier Füßen versehen ist, die auf das andere Bauteil geklebt werden. Da jedoch im allgemeine gewisse Bauteiltoleranzen bestehen, müssen die beiden Bauteile vor dem Aufkleben zueinander ausgerichtet werden, was zur Folge hat, daß meist nicht alle vier Füße flächig auf dem gegenüberliegenden Bauteil aufstehen, sondern teilweise nur punktförmig oder sogar überhaupt nicht berühren. Bei der Justierung entstehen somit automatisch kleine Justierspalte zwischen den Füßen und dem gegenüberliegenden Bauteil. Zur Fixierung wird hier ein Klebstoff verwendet, der die Füße umgibt und zwangsläufig auch die entsprechenden Justierspalte füllt. Mit anderen Worten wird der Klebstoff hier konstruktiv verwendet, da er kleine Justierspalte überbrückt, was zwar zunächst eine exakte Ausrichtung der beiden Bauteile zueinander erlaubt, jedoch gegebenenfalls aufgrund eines Schrumpfprozesses des Klebstoffes beim Aushärten möglicherweise eine Dejustierung nach sich zieht.

Bei den eingangs genannten Aufbauten besteht des weiteren das Problem, daß der Aufbau häufig gewissen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, so daß, insbesondere dann, wenn die beiden Bauteile eine unterschiedliche thermische Ausdehnung zeigen, es durch eine Temperaturveränderung zu Abweichungen von der exakten Position und der Winkelorientierung kommen kann. Auch bei der beschriebenen „konstruktiven" Verwendung des Klebstoffes kommt es zu einer Dejustierung, da der Klebstoff meist ein von den Bauteilen und den verwendeten Füßen abweichendes Ausdehnungsverhalten bei Temperaturänderungen zeigt.

Temperaturänderungen führen aber nicht nur zu einer Dejustierung, sondern häufig und insbesondere bei der in der DE 100 43 985 beschriebenen Verbindungstechnik zu einer Verbiegung von zumindest einem Bauteil. Dies liegt an der recht starren Verbindung der beiden Bauteile miteinander.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Aufbau, insbesondere einen optischen Aufbau der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei dem die beiden Bauteile auch bei größeren Temperaturschwankungen eine extrem hohe Positions- und Winkelgenauigkeit zueinander aufweisen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verbindungselement mindestens zwei elastische Elemente bzw. Federelemente aufweist, wobei jedes Federelement stark anisotrope elastische Eigenschaften hat, so daß deren Federkonstante in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen jeweils mindestens doppelt so groß ist wie in der dritten, zu den beiden ersten Raumrichtungen senkrechten, der sogenannten Elastizitätsrichtung, wobei die beiden Federelemente Elastizitätsrichtungen aufweisen, die nicht parallel zueinander verlaufen.

Im allgemeinen versteht man unter der Federkonstante bzw. der Federrichtgröße die Proportionalitätskonstante, welche die Auslenkung einer linearen Feder mit der daraus resultierenden Auslenkungskraft in Beziehung setzt. In der Praxis sind jedoch lineare Federn nicht leicht zu verwirklichen. Die elastischen Elemente bzw. die Federelemente lassen sich im allgemeinen nicht nur in einer Raumrichtung aus ihrer Ruhelage auslenken, sondern auch in den anderen hierzu senkrecht verlaufenden Richtungen. Je kleiner die Federkonstante ist, um so „weicher" ist das Federelement bzw. um so leichter läßt sich das Federelement aus der Ruhelage auslenken. Im folgenden wird daher angenommen, daß die Federelemente, die im übrigen durch jedes beliebige elastische Element verwirklicht werden können, in allen Raumrichtungen zumindest in einem bestimmten Ausmaß auslenkbar sind, wobei jedoch die Federkonstante in zumindest einer Richtung höchsten halb so groß ist, wie in den anderen Richtungen. Die Federelemente stellen daher in einer Richtung eine vergleichsweise „weiche" Verbindung (diese Richtung wird hier Elastizitätsrichtung genannt) und in den anderen Richtungen eine vergleichsweise „starre" Verbindung dar. Es versteht sich, daß genaugenommen kein linearer Zusammenhang zwischen Auslenkungskraft und Auslenkung besteht. Die Federkonstante ist somit nur eine Näherung, die für kleine Auslenkungen, um die es bei der vorliegenden Erfindung geht, aber die Realität sehr gut beschreibt.

Auch wenn jede nicht parallele Anordnung der Elastizitätsrichtungen erfindungsgemäße Vorteile mit sich bringt, ist, insbesondere bei der Verwendung von lediglich zwei Federelementen, eine im wesentlichen senkrechte Anordnung der beiden Elastizitätsrichtungen zueinander von Vorteil. Durch die beschriebene Maßnahme wird erreicht, daß zumindest die Winkelgenauigkeit bei größeren Temperaturänderungen relativ hoch bleibt. Dabei dient jedes Federelement dazu, einerseits die Bewegung des ersten Bauteils gegenüber dem zweiten Bauteil, insbesondere bei einer Temperaturveränderung, in einer Richtung, der sogenannten Elastizitätsrichtung, in begrenztem Maße zuzulassen, während eine entsprechende Relativbewegung in den anderen hierzu in etwa senkrecht verlaufenden Richtungen möglichst verhindert wird. Dabei verläuft die Elastizitätsrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform im wesentlichen parallel zu den zueinander auszurichtenden Flächen der Bauteile.

Die Elastizitätsrichtungen der beiden Federelementen schließen in einer besonders bevorzugten Ausführungsform einen Winkel zwischen 50 und 130°, vorzugsweise zwischen 70 und 110° und besonders bevorzugt zwischen 85 und 95° ein. Grundsätzlich ist ein Winkel von etwa 90° am besten, da dann jeweils ein Element in einer Richtung die notwendige Elastizität zur Verfügung stellt und in der anderen Richtung die notwendige Stabilität zur Verfügung stellt.

Bei der Verwendung von im wesentlichen starren Verbindungselementen, wie dies im Stand der Technik üblich ist, üben diese im übrigen auf zumindest eines der Bauteile ein gewisses Biegemoment aus, wenn sich eines der Bauteile relativ zu dem anderen verkürzt oder verlängert. Durch das Bereitstellen einer "weichen" Richtung durch das Verbindungselement wird das auf die Bauteile ausgeübte Drehmoment deutlich reduziert, was zu einer höheren Winkelgenauigkeit führt.

Je nach Form und Größe der Bauteile kann es von Vorteil sein, mehr als zwei Federelemente mit entsprechend anisotropen Federkonstanten zu verwenden. Bei der Verwendung von drei Federelementen könnten diese beispielsweise so angeordnet sein, daß jeweils zwei Elastizitätsrichtungen einen Winkel zwischen 100 und 140° einschließen.

Um eine extrem genaue Positionierung eines ersten Bauteils gegenüber einem zweiten Bauteil und eine entsprechende elastische Lagerung auch bei Temperaturunterschieden mit hoher Positions- und Winkelgenauigkeit zu erzielen, ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß vier Federelemente vorgesehen sind, deren Federkonstante jeweils in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen mindestens doppelt so groß ist wie in der dritten, zu den beiden ersten Raumrichtungen senkrechten Raumrichtungen, der sogenannten Elastizitätsrichtung, ist, wobei alle Elastizitätsrichtungen im wesentlichen in einer Ebene liegen. Insbesondere bei der Ausrichtung von optischen Bauteilen zueinander weisen diese häufig zwei zueinander auszurichtende Oberflächen auf. Mit Vorteil sind die Federelemente so ausgerichtet, daß die von den Elastizitätsrichtungen aufgespannte Ebene parallel zur auszurichtenden Fläche des Bauteils verläuft.

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn zwei der vier Federelemente in etwa parallele Elastizitätsrichtungen aufweisen und die Federelemente der beiden anderen der vier Federelemente ebenfalls in etwa parallele Elastizitätsrichtungen aufweisen, wobei die Elastizitätsrichtungen des ersten Paares von Federelementen mit den Elastizitätsrichtungen des zweiten Paares von Federelementen einen Winkel zwischen 50 und 130°, vorzugsweise zwischen 70 und 110° und besonders bevorzugt zwischen 85 und 95° einschließen.

Weiterhin ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß mindestens ein Paar Federelemente so angeordnet ist, daß deren Elastizitätsrichtungen auf der gedachten Verbindungslinie zwischen den Angriffspunkten der einzelnen Federelemente des Federelementpaares an einem der Bauteile liegt.

Das Verbindungselement kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform integral mit einem der beiden Bauteile ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, daß es dann aufgrund von thermischen Schwankungen zu keinen Biegemomenten kommt, da dann das Bauteil und das Verbindungselement den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben.

Das Verbindungselement selbst kann einstückig oder mehrteilig ausgebildet sein. Grundsätzlich können somit alle Federelemente einstückig ausgebildet sein. Das Verbindungselement kann stattdessen aber auch aus verschiedenen getrennten Federelementen bestehen.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das erste Bauteil eine dem zweiten Bauteil zugewandte Oberfläche und eine oder mehrere sich an die Oberfläche anschließende Kantenfläche bzw. Kantenflächen hat, wobei die Federelemente mit der Kantenfläche verbunden sind. Mit anderen Worten greifen die Federelemente erfindungsgemäß nicht an der dem zweiten Bauteil zugewandten Oberfläche an, sondern stattdessen an die Kantenflächen. Dies hat insbesondere den Vorteil, daß das erste Bauteil gegenüber dem zweiten Bauteil in einem ersten Schritt justiert werden kann und dann die Federelemente an den außen liegenden Kantenflächen des Bauteils befestigt werden können, so daß der für die Befestigung verwendete Kleber oder der entsprechende Schweißpunkt nicht konstruktiv zu der Bestimmung des Abstandes der beiden Bauteile beiträgt.

Weiterhin ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß das zweite Bauteil eine dem ersten Bauteil zugewandte Oberfläche hat und daß das Verbindungselement mit der Oberfläche des zweiten Bauteils verbunden ist. Mit anderen Worten steht das Verbindungselement auf der Oberfläche des zweiten Bauteils. Dieses kann für die Positionierung der beiden Bauteile zueinander zunächst auf der Oberfläche des zweiten Bauteils frei verschoben werden. Im nächsten Schritt wird dann das Verbindungselement auf der Oberfläche des zweiten Bauteils fixiert.

Das Verbindungselement kann beispielsweise ein Ätzteil sein. Ätzteile sind kostengünstig mit recht hoher Präzision herstellbar.

Es hat sich gezeigt, daß die Federelemente zweckmäßigerweise aus Metall sind, auch wenn andere Materialien prinzipiell einsetzbar sind. Metall zeigt typische elastische Eigenschaften, die für die vorliegende Erfindung besonders geeignet sind. Zweckmäßigerweise wird das Metall derart ausgewählt, daß es in etwa das gleiche Ausdehnungsverhalten wie das zweite Bauteil zeigt. Genauer gesagt ist es von Vorteil, wenn sich der Volumenausdehnungskoeffizient der Federelemente bzw. des Verbindungselementes bei 25°C um nicht mehr als 20%, vorzugsweise um nicht mehr als 10% und besonders bevorzugt um nicht mehr als 5% von dem Volumenausdehnungskoeffizienten des zweiten Bauteils abweicht.

Weiterhin sollte der Volumenausdehnungskoeffizient der Federelemente möglichst klein, vorzugsweise kleiner als 0,02 und besonders bevorzugt kleiner als 0,01 K–1 bei 25°C sein. Dies gewährleisten, daß sich der Abstand der beiden Bauteile bei einer Temperaturänderung nur wenig ändert.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Federelemente aus einem Material hergestellt, dessen Elastizitätsmodul mindestens 1000 mal größer, vorzugsweise mindestens 2000 mal größer und besonders bevorzugt mindestens 5000 mal größer als die maximale elastische Zugfestigkeit ist.

Es hat sich gezeigt, daß die Federkonstante in der „weichen" Richtung bzw. der Elastizitätsrichtung insbesondere für optische Anwendungen kleiner als 40 N/mm, vorzugsweise kleiner als 25 N/mm und besonders bevorzugt kleiner als 15 N/mm ist.

Auch wenn prinzipiell alle verschiedenen Verbindungsarten zwischen Verbindungselement einerseits und erstem oder zweitem Bauteil andererseits möglich sind, so hat sich eine Verklebung oder Verschweißung, vorzugsweise eine Verklebung, als besonders gut handhabbar erwiesen. Insbesondere stellen Verkleben und Verschweißen eine stufenlose Einstellbarkeit der Position der beiden Bauteile zueinander zur Verfügung.

Das Verbindungselement besteht in einer ersten Ausführungsform aus einer im wesentlichen quadratischen Grundfläche, die mit der Oberfläche des zweiten Bauteils verbunden ist, und vier dazu abgewinkelten zackenförmigen Federelementen, die mit der Kantenfläche des ersten Bauteils verbunden sind. Ein solches Verbindungselement kann beispielsweise als Ätzteil einstückig aus Metall hergestellt werden, wobei die einzelnen zackenförmigen Federelemente dann mit etwa 90° zu der quadratischen Grundfläche abgewinkelt werden. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die quadratische Grundfläche eine in etwa zentral angeordnete Ausnehmung aufweist, die gegebenenfalls ebenfalls quadratisch ist. Selbstverständlich kann die Grundfläche sowie die gegebenenfalls vorhandene Ausnehmung je nach Anwendungsfall auch eine andere Form haben.

Alternativ dazu hat sich eine weitere Ausführungsform eines Verbindungselementes bewährt, bei dem dieses aus einem Stegrahmen und vier sich davon erstreckenden zackenförmigen Federelementen besteht. Der Stegrahmen wird hierbei auf die Oberfläche des zweiten Bauteils gesetzt, während die sich hiervon erstreckenden zackenförmigen Federelemente an die Kantenfläche des zweiten Bauteils angreifen.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die zackenförmigen Federelemente einen Kontaktabschnitt, der mit dem ersten Bauteil in Kontakt tritt, und einen Abschnitt mit gegenüber dem Kontaktabschnitt verminderter Dicke aufweisen. Dies verbessert die federnden Eigenschaften.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Aufbaus. Die eingangs genannte Aufgabe wird durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24 gelöst.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen. Es zeigen:

1 einen beispielhaften Aufbau aus dem Stand der Technik vor der Verbindung der beiden Bauteile,

2 eine schematische Darstellung eines Aufbaus des Standes der Technik,

3 und 4 schematische Darstellungen der Vorgänge bei einer Temperaturveränderung bei einem Aufbau gemäß der Erfindung,

5 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbindungselementes,

6 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbaus,

7 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbaus,

8 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbaus,

9 eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbaus,

10 und 11 eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbaus und

12 und 13 eine siebte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbaus.

In 1 ist eine Explosionsansicht eines Aufbaus gemäß des Standes der Technik gezeigt. Zu erkennen ist ein erstes Bauteil 1, ein zweites Bauteil 2 und ein Verbindungselement 3. Das Verbindungselement 3 ist hier einstückig an dem ersten Bauteil 1 befestigt und besteht aus vier Distanzfüßen, die sich von dem Bauteil 1 aus in Richtung des Bauteils 2 erstrecken. Um das Bauteil 1 relativ zu dem Bauteil 2 zu positionieren, sind die Distanzfüße 3 derart ausgebildet, daß sie in etwa dem gewünschten Abstand zwischen Bauteil 1 und Bauteil 2 entsprechen. Um die beiden Bauteile 1, 2 exakt zueinander zu positionieren und zu fixieren, wird in einem ersten Schritt das Bauteil 1 gegenüber dem Bauteil 2 derart ausgerichtet, daß Relativpositionen und die Winkelausrichtung korrekt sind. In der Regel wird dann zumindest einer der Distanzfüße 3 direkt auf der Oberfläche des zweiten Bauteils 2 aufsetzen. Dennoch wird aufgrund von Bauteiltoleranzen bei einigen der Distanzfüße 3 ein kleiner Spalt verbleiben. Zur Fixierung werden die Distanzfüße 3 auf der Oberseite des Bauteils 2 festgeklebt. Dabei wird der verwendete Kleber auch die verbliebenden Spaltabstände füllen. Im Endzustand wird somit der ausgehärtete Kleber konstruktiv verwendet, da er den Abstand zwischen dem Bauteil 1 und dem Bauteil 2 mitbestimmt. Die Distanzfüße haben hier ein quadratisches Profil und sind im wesentlichen starr.

Dies wird besonders deutlich anhand von 2, die eine Prinzipskizze der bislang verwendeten Verbindungselemente zeigt. Hier ist deutlich zu erkennen, daß das Bauteil 1 mit dem rechten Distanzfuß 3 auf dem zweiten Bauteil 2 aufsitzt, während die exakte Positionierung des ersten Bauteils 1 relativ zu dem zweiten Bauteil 2 einen Spalt zwischen dem linken Distanzfuß 3 und dem zweiten Bauteil 2 erforderlich macht. Zur Fixierung der beiden Bauteile wird dann Klebstoff 8 verwendet und der Klebstoff 8 überbrückt dann den Spalt zwischen dem linken Distanzfuß 3 und dem zweiten Bauteil 2. Man erkennt sofort, daß für den Fall, daß beim Aushärten des Klebstoffs 8 es zu einem Schrumpfen des Klebstoffanteils kommt, dies möglicherweise die vorher erzielte Positions- und Winkeljustage wieder verändert. Darüber hinaus ist die in den 1 und 2 gezeigte Verbindung, die im wesentlichen der in der DE 100 43 985 beschriebenen entspricht, relativ starr. Bei einer Temperaturveränderung kommt es daher zu Verspannungen innerhalb der Bauteile, die um so größer werden, je unterschiedlicher sich die Bauteile bei einer Temperaturveränderung ausdehnen. Insbesondere bei optischen Aufbauten, die eine Winkelgenauigkeit von kleiner als 0,5 mrad erfordern, ist die bekannte Verbindungstechnik nur einsetzbar, wenn alle verwendeten Materialien einen gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen oder der Aufbau temperaturstabilisiert wird.

In 3 ist schematisch gezeigt, wie sich ein erfindungsgemäßer Aufbau bei einer Temperaturveränderung verhält. Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau ist das erste Bauteil 1 über vier Federelemente (4, 5, 6, 7 – wobei das vierte Federelement 5 in der 3 nicht zu erkennen ist, da es hinter dem Federelement 6 liegt) mit dem Bauteil 2 verbunden. Die beiden Federelemente 4 und 7 haben eine Elastizitätsrichtung, die in der 3 von links nach rechts verläuft. Die beiden anderen Federelemente 5 und 6 haben hingegen eine Elastizitätsrichtung, die senkrecht auf der Bildebene steht.

Es wurde angenommen, daß das erste Bauteil 1 einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das zweite Bauteil 2. Zur Verdeutlichung wurde bei dem ersten Bauteil 1 eine sehr große thermische Ausdehnung und bei dem zweiten Bauteil 2 keine thermische Ausdehnung angenommen. Es versteht sich, daß der Ausdehnungseffekt in der Praxis viel kleiner ist und mit bloßem Auge nicht zu erkennen ist.

In 3 ist das erste Bauteil 1 einmal in der ursprünglichen Größe mit durchgezogener Linie, einmal bei höherer Temperatur mit gestrichelter Linie und einmal bei niedrigerer Temperatur schraffiert und mit strichpunktierter Linie gezeigt. Da sich das erste Bauteil 1 stärker ausdehnt als das zweite Bauteil 2, führt dies zwangsläufig dazu, daß sich die Federelemente 4, 5, 6, 7 verbiegen, wobei in der gezeigten Ansicht nur die Verbiegung der beiden Federelemente 4 und 7 zu erkennen ist. Diese Verbiegung wird durch die zusätzlichen gestrichelt dargestellten Federelemente schematisch dargestellt. Da das erste Bauteil 1 mit Hilfe der Federelemente 6 und 5 in Pfeilrichtung fixiert wird, kommt es zu keiner Veränderung der Gesamtposition des ersten Bauteils 1 in Pfeilrichtung, sondern das Bauteil 1 dehnt sich, ausgehend von dem Befestigungspunkt der Federelemente 5, 6 an dem ersten Bauteil gleichmäßig nach rechts und links aus (oder zieht sich zusammen). Dadurch ist sicher gestellt, daß sich das erste Bauteil 1 nicht gegenüber dem zweiten Bauteil 2 verkippt und seine Position ziemlich exakt einhält.

Wie bereits ausgeführt wurde, üben die Verbindungselemente des Standes der Technik aufgrund ihrer sehr starren Verbindung ein Biegemoment auf die Bauteile aus. Dies wird durch die erfindungsgemäße Aufhängung verhindert, wie schematisch in 4, die im wesentlichen der 3 entspricht, besonders deutlich gezeigt.

Erfindungsgemäß sind die Federelemente in einer Raumrichtung sehr flexibel, während sie in den beiden hierzu senkrechten Richtungen relativ starr sind. Durch diese Maßnahme kann eine Längenänderung des ersten Bauteils 1 relativ zu dem zweiten Bauteil 2 durch die flexiblen Federelemente 4, 5, 6, 7 aufgenommen werden. Jegliche Verbiegung findet im wesentlichen innerhalb der Federelemente 4, 5, 6, 7 und nicht innerhalb eines der beiden Bauteile 1, 2 statt. Durch das Vorsehen der Federelemente 5 und 6, die in der "weichen" Richtung bzw. der Elastizitätsrichtung der Federelements 4, 7 recht starr sind, wird prinzipiell eine Art Fixpunkt 19 festgelegt. Dieser Fixpunkt 19 bleibt durch die relativ starre Verbindung in Pfeilrichtung mittels der Federelemente 5, 6 konstant in der Position oberhalb des zweiten Bauteils 2. Das erste Bauteil 1 dehnt sich rechts und links von dem Fixpunkt 19 aus bzw. zieht sich dort zusammen, ohne daß sich der festgelegte Fixpunkt 19 ändert. Mit anderen Worten unterscheidet sich u. a. die vorliegende Erfindung vom Stand der Technik dadurch, daß durch die trickreiche Aufhängung nur ein Punkt des ersten Bauteils 1 in Bezug auf das zweite Bauteil 2 fixiert wird, während im Stand der Technik eine Fixierung über mehrere Punkte erfolgte und damit bei Temperaturänderungen Spannungen auftraten.

Dadurch ist auch bei größeren Temperaturschwankungen nur eine geringe Positionsabweichung und nahezu kein Winkelfehler festzustellen. Versuche haben gezeigt, daß die Positionier- und Winkelgenauigkeit durch die erfindungsgemäße Maßnahme enorm verbessert werden kann.

Zur besseren Verdeutlichung ist in 5 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbaus dargestellt. Zu erkennen ist das erste Bauteil 1, das zweite Bauteil 2 und vier Federelemente 4, 5, 6, 7, die die beiden Bauteile verbinden. Jedes dieser Federelemente 4, 5, 6, 7 ist so ausgestaltet, daß es eine elastische Verbiegung des Federelementes gegenüber dem ersten Bauteil 1 in einer Richtung erlaubt, jedoch in den beiden hierzu senkrechten Richtungen im wesentlichen verhindert.

Man betrachte zur Erläuterung beispielsweise das in 5 vorne dargestellte laschenförmige Federelement 4. Dieses Federelement erlaubt eine elastische Verbiegung derart, daß sich das erste Bauteil 1 relativ zu dem zweiten Bauteil 2 nach vorne und hinten leicht bewegen kann, während eine Bewegung nach rechts oder links bzw. von oben nach unten im wesentlichen ausgeschlossen wird. Mit anderen Worten erlauben die beiden Federelemente 4, 7 eine Bewegung in Richtung der Linie 13, die parallel zu dem zweiten Bauteil 2 erfolgt. Die beiden Federelemente 5, 6 erlauben statt dessen eine gewisse Bewegung entlang der Linie 14, während Bewegungen in den anderen Richtungen im wesentlichen verhindert werden. Dies führt im wesentlichen in der Höhe des Schnittpunktes der beiden Linien 13 und 14 zu einem Fixpunkt (oder Pivotpunkt) 19, so daß das erste Bauteil 1 und das zweite Bauteil 2 in Höhe dieses Fixpunktes auch bei größeren Temperaturschwankungen exakt übereinanderliegen. Jegliche Längenausdehnungen werden ausgehend von diesem Fixpunkt in Richtung der Achsen 13 und 14 abgetragen. Man könnte somit sagen, daß, wenn sich das erste Bauteil 1 aufgrund eines gegenüber dem zweiten Bauteil 2 erhöhten Ausdehnungskoeffizienten ausdehnen würde, diese Ausdehnung ausgehend von dem Fixpunkt 19, der bei dem Schnittpunkt der beiden Linien 13, 14 liegt, in Richtung der Pfeile erfolgt. Alle vier Federelemente 4, 5, 6, 7 verbiegen sich daher etwas, wobei die beiden Bauteile 1, 2 im wesentlichen exakt in der gleichen Winkelposition zueinander bleiben. Die Federelemente 4, 5, 6, 7 greifen möglichst an den Außen- bzw. Kantenflächen des ersten Bauteils 1 an. Grundsätzlich gilt, daß je weiter auseinander die Angriffspunkte der Federelemente 4, 5, 6, 7 mit gleicher (bzw. paralleler) Elastizitätsrichtung liegen, um so besser ist die Winkelsteifigkeit des Aufbaus.

Weiterhin ist zu erkennen, daß die Federelemente 4, 5, 6, 7 nicht alle in der Mitte der von der Basisfläche 9 bereitgestellten Seiten angeordnet sind, sondern die Federelemente 4, 7 etwas nach außen (in der 5 nach rechts) versetzt sind. Dies führt dazu, daß der Fixpunkt 19 nicht im Zentrum des ersten Bauteils 1 liegt. Diese Maßnahme kann von Vorteil sein, wenn an einem Bauteil optische Elemente, die besonders empfindlich gegenüber Positionsfehler sind, nicht im Zentrum des Bauteils liegen. Der Fixpunkt wird mit Vorteil genau dorthin gelegt, wo die Elemente mit der größten Empfindlichkeit gegenüber einer Fehlausrichtung positioniert sind.

In 6 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aufbaus gezeigt. Die Abbildung zeigt unten eine Explosionsansicht und oben den zusammengesetzten Aufbau. Der Aufbau besteht aus dem ersten Bauteil 1, dem zweiten Bauteil 2 sowie einem Verbindungselement 3, das hier zwei Federelemente 4, 5 aufweist. Das Verbindungselement 3 sitzt auf der dem ersten Bauteil 1 zugewandten Fläche des zweiten Bauteils 2. Die Federelemente, die sich von einer Art Steg aus erstrecken, treten mit den Kantenflächen des ersten Bauteils 1 in Kontakt. Von zusätzlichem Vorteil ist hier, daß das Verbindungselement 3 flächig auf dem zweiten Bauteil 2 aufsitzt. Jegliche Bauteiltoleranzen werden durch die Positionierung des ersten Bauteils 1 in Bezug auf die beiden Federelemente 4, 5 ausgeglichen. Sobald das erste Bauteil 1 gegenüber dem Bauteil 2 positioniert ist, wird das Verbindungselement 3 möglichst gleichzeitig sowohl mit der Oberfläche des zweiten Bauteils 2 als auch über die Federelemente 4, 5 mit den Kantenflächen des ersten Bauteils 1 verklebt. Dies gewährleistet eine völlig spannungsfreie Ruhelage. Bei diesem Aufbau wird der Klebstoff nicht konstruktiv zur Bestimmung des Abstandes der beiden Bauteile zueinander benutzt, d.h. er dient nicht zum Auffüllen von justierbedingten Spalten zwischen Verbindungselement 3 einerseits und einem der beiden Bauteile 1, 2 andererseits. Daher ist es wesentlich, daß die Federelemente 4, 5 an den Außen- bzw. Kantenflächen eines Bauteils, nämlich hier des ersten Bauteils 1, angreifen. Das erste Federelement 4 ist so ausgestaltet, daß es, wie in 6 oben angedeutet ist, in Richtung des Doppelpfeils eine hohe Elastizität aufweist, die viel größer ist als die Elastizität in den hierzu senkrechten Richtungen. In gleicher Weise zeigt auch das Federelement 5 ein entsprechend anisotropes Verhalten, wobei die weichen Achsen, die sogenannten Elastizitätsrichtungen, nicht parallel verlaufen, sondern im vorliegenden Fall einen Winkel von etwa 90° einschließen. Diese Art der Verbindung der beiden Bauteile ermöglicht es, daß der optische Aufbau größeren Temperaturschwankungen ausgesetzt sein kann, ohne daß es zu einer Dejustierung der beiden Bauteile zueinander kommt.

7 zeigt eine dritte Ausführungsform, bei der das Verbindungselement 3 insgesamt drei Federelemente 4, 5, 6 aufweist.

8 zeigt eine vierte Ausführungsform, bei der das Verbindungselement rund ausgebildet ist und insgesamt vier Federelemente 4, 5, 6, 7 aufweist. Prinzipiell kann das Verbindungselement 3 jegliche beliebige Form einnehmen, die mit Vorteil an die Kantenflächen des über dem zweiten Bauteil 2 zu positionierenden ersten Bauteils 1 angepaßt ist.

Ein anderes Beispiel zeigt 9, die im wesentlichen den Ausführungsformen der 7 und 6 entspricht, wobei auch hier vier Federelemente 4, 5, 6, 7 vorgesehen sind.

10 zeigt schließlich eine spezielle Ausführungsform eines Verbindungselementes 3. Das Verbindungselement 3 ist hier als Ätzteil ausgebildet und ist aus Metall hergestellt. Das Verbindungselement 3 weist eine im wesentlichen quadratische Grundfläche 9 auf, die quadratische Grundfläche 9 weist eine ebenfalls quadratische Aussparung 10 auf. Vier Federelemente 4, 5, 6, 7 sind mit der quadratischen Grundfläche 9 verbunden. Die Federelemente 4, 5, 6, 7 sind jeweils laschen- bzw. zapfenförmig und weisen einen Kontaktabschnitt 11 und einen besonders flexiblen Abschnitt 12 mit einer gegenüber dem Kontaktabschnitt 11 reduzierten Dicke auf. Wie in 10 oben zu erkennen ist, werden die vier Federelemente 4, 5, 6, 7 nach der Herstellung im Ätzverfahren einfach nach oben gebogen, so daß die Federelemente 4, 5, 6, 7 mit der Grundfläche 9 einen im wesentlichen rechten Winkel einschließen. In der 11 ist eine Explosionsansicht in einer perspektivischen Ansicht des zusammengesetzten Aufbaus zu erkennen, wie die einzelnen Teile miteinander verbunden werden. Diese Ausführungsform des Verbindungselementes 3 hat den Vorteil, daß aufgrund der großen Grundfläche 9 das Verbindungselement 3 sicher an der Oberfläche des zweiten Bauteils 2 fixiert werden kann. Es hat jedoch den Nachteil, daß aufgrund des Umbiegens der Federelemente 4, 5, 6, 7 relativ zu der Grundfläche 9 an der Biegelinie 20 die Federelemente 4, 5, 6, 7 relativ weich werden, so daß sie Federelemente einer Bewegung des ersten Bauteils 1 auf das zweite Bauteil 2 zu oder von diesem weg nicht vollständig verhindern können. Man erkennt in 11 oben, daß die Federelemente 4, 5, 6, 7 jeweils mit ihrer Kontaktfläche 11 an der Kantenfläche des ersten Bauteils 1 anliegen. Durch dieses Verbindungselement kann nahezu der gesamte Abstand zwischen den beiden Bauteilen 1 und 2 für die Federelemente 4, 5, 6, 7 verwendet werden, da die Grundfläche 9 sehr flach baut.

In 12 ist eine weitere Ausführungsform eines erfinderischen Verbindungselementes 3 gezeigt. Dieses Verbindungselement 3 besteht aus einem Steg 15 und vier sich hiervon erstreckenden Federelementen 4, 5, 6, 7, die jeweils wieder einen Kontaktabschnitt 11 und einen sich daran anschließenden Abschnitt mit gegenüber dem Kontaktabschnitt 11 reduzierter Dicke haben. Der Steg 15 weist Sollbiegestellen 16 sowie einen Verschlußbiegemechanismus 17, 18 auf, so daß der in 12 unten gezeigte Steg an den Sollbiegestellen 16 zu einem Rechteck bzw. einem Quadrat gebogen werden kann, wie dies in 12 oben dargestellt ist. 13 zeigt in einer perspektivischen Ansicht sowie in einer Explosionsansicht, wie diese Ausführungsform des Verbindungselementes 3 zur Positionierung und Fixierung von zwei Bauteilen verwendet wird. Das in den 12 und 13 gezeigte Verbindungselement hat gegenüber dem in den 10 und 11 gezeigten Verbindungselement den Vorteil, daß die Federelemente 4, 5, 6, 7 in senkrechter Richtung, d.h. bei einer Bewegung des ersten Bauteils 1 auf das zweite Bauteil 2 zu oder von diesem hinweg, starr ist. Es hat stattdessen aber eine geringere Auflagefläche auf der Oberfläche des zweiten Bauteils 2. Die Auflagefläche des Stegs 15 auf der Oberfläche des Bauteils 2 kann noch weiter verringert werden, wenn der Steg Ausnehmungen 21 aufweist. Grundsätzlich könnte der Steg 15 auch so ausgebildet sein, daß er im wesentlichen nur an 3 Punkten auf der Oberfläche des zweiten Bauteils aufsitzt. Die kleinere Auflagefläche hat den Vorteil, daß das Verbindungselement eine bessere Auflageposition hat.

Durch den erfindungsgemäßen Aufbau ist mit einfachen Mitteln eine deutlich vereinfacht ausgerichtete Fixierung zweier Bauteile zueinander möglich geworden. Die Bauteile können zueinander in allen 6 Freiheitsgraden (3 translatorische und 3 rotatorische) ausgerichtet werden. Die vorgeschlagene elastische Aufhängung hat zudem den Vorteil, daß sie auch bei größeren Temperaturschwankungen, insbesondere dann, wenn die beiden zueinander ausgerichteten Bauteile unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten haben, eine sehr hohe Positions- und Winkelgenauigkeit zur Verfügung stellt.

1
erstes Bauteil
2
zweites Bauteil
3
Verbindungselement
4
Federelement
5
Federelement
6
Federelement
7
Federelement
8
Klebstoff
9
quadratische Grundfläche
10
quadratische Aussparung
11
Kontaktabschnitt
12
flexibler Abschnitt
13, 14
Linien
15
Steg
16
Sollbiegestellen
17
Verschlußmechanismus
18
Verschlußmechanismus
19
Fixpunkt (Pivotpunkt)
20
Biegelinie
21
Ausnehmung


Anspruch[de]
Aufbau bestehend aus einem ersten und einem zweiten Bauteil (1, 2) und einem die beiden Bauteile (1, 2) verbindenden Verbindungselement (3), das mindestens zwei Federelemente aufweist, wobei jedes Federelement (4, 5, 6, 7) eine in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen jeweils mindestens doppelt so groß Federkonstante wie in der dritten, zu den beiden ersten Raumrichtungen senkrechten Raumrichtung, der sogenannten Elastizitätsrichtung, hat, wobei die beiden Federelemente Elastizitätsrichtungen aufweisen, die nicht parallel zueinander verlaufen. Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bauteile (1, 2) sich unterscheidende thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Aufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elastizitätsrichtungen einen Winkel zwischen 50 und 130 °, vorzugsweise zwischen 70 und 110° und besonders bevorzugt zwischen 85 und 95° einschließen. Aufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Federelemente (4, 5, 6) mit jeweils einer Federkonstante, die in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen jeweils mindestens doppelt so groß ist wie die Federkonstante in der dritten zu den beiden ersten Raumrichtungen senkrechten Raumrichtung, der sogenannten Elastizitätsrichtung, ist, vorgesehen sind, wobei die Elastizitätsrichtung der drei Federelemente (4, 5, 6) in etwa in einer Ebene liegen. Aufbau nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Elastizitätsrichtungspaar jeweils einen Winkel zwischen 100 und 140° einschließt. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vier Federelemente (4, 5, 6, 7) vorgesehen sind, deren Federkonstante in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen jeweils mindestens doppelt so groß ist wie die Federkonstante in der dritten zu den beiden ersten Raumrichtungen senkrechten Raumrichtung, der sogenannten Elastizitätsrichtung, und wobei alle Elastizitätsrichtungen im wesentlichen in einer Ebene liegen. Aufbau nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der vier Federelemente (4, 5, 6, 7) in etwa parallele Elastizitätsrichtungen aufweisen und die Federelemente der beiden anderen der vier Federelemente (4, 5, 6, 7) ebenfalls in etwa parallele Elastizitätsrichtungen aufweisen, wobei die Elastizitätsrichtungen des ersten Paars von Federelementen mit den Elastizitätsrichtungen des zweiten Paares von Federelementen einen Winkel zwischen 50 und 130°, vorzugsweise zwischen 70 und 110° und besonders bevorzugt zwischen 85 und 95° einschließen. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (3) integral mit einem der beiden Bauteile (1, 2) ausgebildet ist. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (3) einstückig ausgebildet sind. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bauteil (1) eine dem zweiten Bauteil (2) zugewandte Oberfläche und eine oder mehrere sich an die Oberfläche anschließende Kantenflächen hat, wobei die Federelemente (4, 5, 6, 7) mit der Kantenfläche verbunden sind. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Bauteil (2) eine dem ersten Bauteil zugewandte Oberfläche hat und daß das Verbindungselement (3) mit der Oberfläche des zweiten Bauteils (2) verbunden ist. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (3) ein Ätzteil ist. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (4, 5, 6, 7) aus Metall sind. Aufbau nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (3) mit dem zweiten Bauteil (2) verklebt oder verschweißt, vorzugsweise verklebt ist. Aufbau nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (4, 5, 6, 7) mit der Kantenfläche oder den Kantenflächen des ersten Bauteils (1) verklebt oder verschweißt, vorzugsweise verklebt sind. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (3) aus einer im wesentlichen quadratischen Grundfläche (9), die mit der Oberfläche des zweiten Bauteils (2) verbunden ist, und vier dazu abgewinkelten zackenförmigen Federelementen (4, 5, 6, 7) besteht. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (3) aus einem Stegrahmen und vier sich davon erstreckenden zackenförmigen Federelementen (4, 5, 6, 7) besteht. Aufbau nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zackenförmigen Federelementen (4, 5, 6, 7) einen Kontaktabschnitt (11), der mit dem ersten Bauteil (1) in Kontakt tritt, und einen Abschnitt mit gegenüber dem Kontaktabschnitt (11) verminderter Dicke aufweisen. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Federelement (4, 5, 6, 7) in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen Federkonstanten aufweist, die jeweils mindestens zehnmal so groß, vorzugsweise mindestens fünfzigmal so groß und besonders bevorzugt mindestens hundertmal so groß sind, wie die Federkonstante in der dritten zu den beiden ersten Raumrichtungen senkrechten Raumrichtung, der sogenannten Elastizitätsrichtung, ist, wobei die beiden Federelemente Elastizitätsrichtungen aufweisen, die nicht parallel zueinander verlaufen. Verfahren zur Herstellung eines Aufbaus nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Verbindungselement auf dem zweiten Bauteil positioniert wird, dann das erste Bauteil gegenüber dem zweiten Bauteil ausgerichtet wird und schließlich das Verbindungselement sowohl mit dem ersten als auch dem zweiten Bauteil verbunden wird. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung von Verbindungselement einerseits und Bauteil andererseits mittels Kleben erfolgt. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Positionierung des ersten Bauteils gegenüber dem zweiten Bauteil das erste Bauteil zusammen mit dem Verbindungselement auf der Oberfläche des zweiten Bauteils verschoben wird, bis die gewünschte Position erreicht wird. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bauteil derart ausgerichtet wird, daß die Federelemente des Verbindungselementes in unmittelbarer Umgebung zu den Kantenflächen des ersten Bauteils zu liegen kommen und die Federelemente an den Kantenflächen des ersten Bauteils befestigt werden. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bauteil derart ausgerichtet wird, daß die Federelement die Kantenflächen des ersten Bauteils nicht berühren und bei der Verbindung von Federelement und Kantenfläche der verbliebene Spalt mit Klebstoff ausgefüllt wird.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com