FI125935B - Menetelmä optisen komponentin suojana käytettävän läpinäkyvän kappaleen valmistamiseksi - Google Patents

Description

MENETELMÄ OPTISEN KOMPONENTIN SUOJANA KÄYTETTÄVÄN LÄPINÄKYVÄN KAPPALEEN VALMISTAMISEKSI

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä optisen komponentin suojana käytettävän läpinäkyvän kappaleen valmistamiseksi, joka mainittu kappale käsittää vähintään yhden pinnoiltaan tasomaisen, optisesti kirkkaan seinämän ja tämän seinämän tietyn pinnan kiertävän reunuksen, jolloin mainitun kappaleen ulottuvuuksien sisälle muodostuu mainittuun tiettyyn pintaan ja reunuksen sisäpintaan ulottuva tila.

Keksinnön käyttökohteita ovat optisten komponenttien suojaamisessa ja koteloinnissa käytettävien näkyvää valoa läpäisevien lasi-, pii-ja safiirikappaleiden tai niiden yhdis-telmäkappaleiden valmistus. Esimerkkinä näistä komponenteista voidaan mainita CMOS anturit ja erilaiset projektoreiden komponentit. Näille kappaleille on tyypillistä, että niiden tietyn seinämän pinnat ovat optisesti kirkkaat, jolloin ne läpäisevät valoa tehokkaasti ja ilman tämän valon epäedullista taittumista.

Edellä mainittuja kappaleita valmistetaan tunnetun tekniikan mukaisesti siten, että muodostetaan ensin koko tuotteen korkuinen esim. suorakulmainen kappale ja siihen etsataan yhdeltä sen sivulta lähtien tila sen yhteydessä käytettävää optista komponenttia varten, jolloin tämän tilan ympärille jää mainittua komponenttia ympäröivä tuotteen osa eli reunus ja yhdelle sivulle seinämä, joka läpäisee optiseen komponenttiin tulevaa ja siitä lähtevää valoa.

Toinen tunnetun tekniikan mukainen tapa keksinnön käytön kohteena olevan kappaleen valmistamiseksi on koostaa se kahdesta osasta. Ensimmäinen osa on silloin optisesti kirkas lasi- pii- tai safiirilevy ja toinen on lasi- pii- tai safiirilevy, johon on muodostettu optiselle komponentille sopivan tilan kokoinen aukko. Nämä levyt asetetaan päällekkäin, lämmitetään 400- 1000 °C lämpötilaan ja puristetaan yhteen. Ne kiinnittyvät toisiinsa vallitsevan lämpötilan ja puristusvoiman ansiosta ja siten valmistuu halutun muotoinen kappale.

Edellä kuvattua tunnettua tekniikkaa käytetään markkinoilla hyvin yleisesti valmistettaessa lasia- piitä- tai safiiria sisältäviä kappaleita optisten komponenttien yhteydessä käytettäviksi.

Tunnetun tekniikan suurimpana epäkohtana voidaan pitää sitä, että niiden avulla on erittäin työlästä ja kallista, monesti jopa mahdotonta saavuttaa halutun tasoista laatua. Tässä tapauksessa laatu tarkoittaa pinnoiltaan optisesti kirkasta ja tasopintaista valon läpäistäväksi riittävän häiriöttömästi soveltuvaa seinämää. Pinnankirkkaus on tietysti suhteellinen käsite, mutta tässä asiayhteydessä voidaan riittävän hyvänä pinnankirk-kautena pitää normaalissa lasi- pii- tai safiirilevyn teollisessa valmistuksessa saavutettavaa pinnankirkkautta.

Etsausmenetelmää käytettäessä muodostuu etsattavan tilan pohja, eli em. seinämän ns. sisäpinta kartiomaiseksi, jolloin seinämän läpäisevä valo ei taitu häiriöttömästi. Myös riittävän hyvän pinnankirkkauden saavuttaminen on etsausmenetelmällä hyvin haasteellista ja sitä käytettäessä joudutaankin tekemään kompromisseja valmistuskustannuksien ja pinnankirkkauden välillä.

Toisen tunnetun valmistusmenetelmän, eli osien kuumana yhteen puristamisen epäkohdaksi muodostuu se, että kuumennus aiheuttaa käytettäviin levyihin lämpöjännityksiä, jotka muuttavat valon läpäisyn kohteena olevan seinämän pinnat epätasomai-siksi, jolloin valon taittumiseen muodostuu vääristymiä. Vaikka tässä menetelmässä onkin mahdollista saavuttaa riittävä pinnankirkkaus, niin tämä etu menetetään pintojen muuttuessa epätasomaisiksi.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan sellainen menetelmä optisen komponentin suojana käytettävän läpinäkyvän kappaleen valmistamiseksi, jolla vältetään tunnetussa tekniikassa esiintyviä haittoja. Keksinnönmukaiselle ratkaisulle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön tärkeimpänä etuna voidaan pitää sitä, että sen mukaisella menetelmällä valmistettavien lasi-, pii- ja safiirikappaleiden tai näiden materiaalien yhdistelmän käsittävien kappaleiden valon läpäistäväksi tarkoitetun seinämän pinnat ovat optisesti kirkkaat ja tasomaiset, jolloin mainitun seinämän läpäisevät valonsäteet taittuvat ennakoitavasi! ilman häiriöitä.

Tässä asiakiijassa käsitetään termillä ”janahitsi” kaikki ne määrätyssä tasossa etenevät hitsit, joissa ei muodosteta kehähitsiä yhdellä hitsauskerralla. Termillä ”läpinäkyvä kappale” käsitetään kappaletta, joka sisältää läpinäkyvän seinämän.

Keksintöä kuvataan lähemmin oheisissa piirustuksissa, joissa kuviot 1-3, esittävät erästä optisen komponentin suojana käytettävää läpinäkyvää kappaletta, kuvio 4,esittää erästä asetelmaa jossa valmistetaan keksinnönmukaisella menetelmällä useita em. kappaleita yhdellä kerralla, kuvio 5, esittää kohtakuvaa kuvion 4 merkinnän ”Kohta 1” kohdalta kuvattuna, kuvio 6, esittää edellisen kuvion leikkauskuvaa kohdasta ”A-A”.

Seuraavassa selitetään keksinnön erään edullisen sovelluksen toiminta edellä mainittuihin kuvioihin viittaamalla.

Kuvioissa 1- 3 on kuvattu esimerkin tavoin eräs keksinnönmukaisella menetelmällä valmistettu kappale P joka on tässä esimerkissä lasikappale. Kuvio 1 esittää sen kol-miulotteisesti, kuvio 2 suoraan päältä ja kuvio 3 kuvion 2 osoittamasta kohdasta A-A leikattuna. Kappale P on suorakulmio ja sen ulkomitat ovat x, y ja z. Sen poikkileikkaus on x- y- suuntaisessa tasossa neliö ja lasikappaleeseen on muodostettu sen toisesta x- y- pinnasta kappaleen sisälle ulottuva syvennys eli tila 3. Tähän tilaan asennetaan sitten kappaletta P käytettäessä optinen komponentti ja tähän komponenttiin voidaan kohdistaa näkyvä valo lasikappaleen tietyn osan läpi. Tämän esimerkin kappaleessa P tämä osa on seinämä 1, jonka ensimmäinen pinta 1.1 ja toinen pinta 1.2 ovat optisesti kirkkaat ja tasomaiset. Ensimmäisen pinnan 1.1 ympärillä on sitä kiertävä reunus 2, jolloin mainitun kappaleen ulkomittojen x, y, z sisälle muodostuu ensimmäiseen pintaan 1.1 ja reunuksen sisäpintaan 2.1 ulottuva aiemmin mainittu tila 3. Seinämän 1 vahvuus on tässä tapauksessa aja reunuksen korkeus b. Kappale P kiinnitetään käyttökohteeseen reunuksen 2 seinämään 1 nähden vastakkaisesta pinnasta.

Edellä kuvattu kappale P on valmistettu eräällä keksinnönmukaisen menetelmän sovelluksella seuraavasti: Kuvioiden 4- 6 mukaisesti kaksi lasilevyä, eli ensimmäinen levy 10 ja toinen levy 11 on asetettu päällekkäin työstöalustalle siten, että niillä on yhteinen rajapinta 12. Mainitut levyt ovat tasopintaisia, optisesti kirkkaita ja ne hitsataan yhteen rajapinnan 12 tasoon fokusoidulla lasersäteellä 13a. Kuviosta 4 voidaan nähdä, että mainitut levyt yhdistyvät toisiinsa hitseillä 14, jotka ovat olennaisesti levyparin reunasta reunaan ulottuvia, toisiaan risteäviä janahitsejä. Levyjen 10, 11 muodostamaan kombinaatioon C on merkitty viivat osoittamaan leikkauskohtia 100, joista kombinaatio leikataan osiin keksinnönmukaisen menetelmän viimeisessä vaiheessa. Leikkauslinjojen välinen etäisyys kahdessa toisiinsa nähden kohtisuorassa suunnassa vastaa edellä esitetyn kappaleen P mittoja x, y. Em. hitsit 14 muodostetaan mainittujen leikkauskohtien molemmin puolin, lähelle niitä, jolloin hitseistä 14 muodostuu useita neliön muotoisia kehähitsejä 14'. Näiden kehähitsien sivut ovat tietyllä sellaisella etäisyydellä a leikkauskohdista 100 että kombinaatiosta C voidaan leikata irti lasikappa-leita eli kappaleita P jollakin tunnetun tekniikan mukaisella menetelmällä näitä leikkauskohtia pitkin kehähitsien 14' vaurioitumatta. Mainitaan että etäisyyden a taloudellisina arvoina voidaan pitää arvoja 25- 100 pm. Tätä ei kuitenkaan esitetä rajoituksena keksinnön käytölle vaan kyseinen arvo voidaan valita aina tapauskohtaisesti, myös tämän alueen ulkopuolelta. Kehähitsi 14' voidaan muodostaa kaasutiiviiksi taljoissakin tapauksissa se voidaan toteuttaa vaikka katkohitsinä ja kappaleen P käyttöön liittyvät seikat määrittävätkin tapauskohtaisesti hitsille asetettavat vaatimukset.

Menetelmän seuraavassa vaiheessa suoritetaan tässä esimerkissä kunkin kehähitsin 14' sisäpuolella, eli tarkemmin sanottuna tämän kehähitsin levyjen 10, 11 paksuus-suuntaisen w projektiolinjan sisäpuolella, kehämäinen ablaatio. Ablaatio suoritetaan lasersäteellä 13b siten, että se aloitetaan ensimmäisen levyn 10 ensimmäisestä pinnasta 10.1 ja sitä jatketaan kehää kiertäen tämän mainitun levyn läpi, sen toiseen pintaan 10.2 asti, jolloin tämän ablaation seurauksena syntyy kehähitsin 14' sisäpuolelle ensimmäisen levyn 10 läpi ulottuva kehämäinen rako 15 ja sen sisäpuolelle tästä ensimmäisestä levystä irronnut osa 16. Kun tämä osa 16 poistetaan, niin kombinaatioon C syntyy olennaisesti osan 16 suuruinen tila 3. Tämän tilan 3 pohja on optisesti kirkas ja tasomainen osa toisen levyn 11 ensimmäistä pintaa 11.1. Kim muodostuneelle aihiolle suoritetaan leikkaus leikkauskohtia 100 pitkin, niin siitä irtoaa tietty määrä kappaleita P, joista jokainen käsittää seinämän 1 ja reunuksen 2.

Luonnollisesti ablaatio voidaan suorittaa edellä mainitusta poiketen myös toiseen levyyn 11, jolloin ensimmäisen levyn 10 tulee olla optisesti kirkas. Optinen kirkkaus vaaditaan siis ainakin siltä levyltä, josta muodostetaan tulevien läpinäkyvien kappaleiden seinämät 1.

Keksinnönmukaisella menetelmällä voidaan valmistaa läpinäkyviä kappaleita P, joiden raaka-aineena on lasi-, pii- tai safiiri tai jotka koostuvat useammasta kuin yhdestä näistä materiaaleista.

Keksinnönmukainen menetelmä ei rajoitu osan 16 poistamiseen ja tilan 3 muodostamiseen pelkästään edellä kerrotulla tavalla ablaation avulla. Tämä osan 16 irrottamiseksi muodostettava kehämäinen rako 15 voidaan saada aikaan myös toisenlaisella työstöllä, kuten esim. mekaanisesti jyrsimällä tai toisenlaisella lasertekniikalla. Keksinnön kannalta on olennaista että muodostamalla kuvatun kaltainen rako 15 ja poistamalla sen sisäpuolelta osa 16 saadaan aikaan optisesti kirkas ja tasomainen seinämän 1 ensimmäinen pinta 1.1.

Edellä esitetyssä esimerkkitapauksessa ovat kappaleen P mitat x ja y 15 mm ja mitta z voi olla esim. 50 pm- 2 mm. Mainituilla x:n ja y:n arvoilla ovat ensimmäisen ja toisen levyn 10, 11 ulkohalkaisijat tässä esimerkkitapauksessa n. 150 mm. Keksinnönmu-kaista menetelmää voidaan käyttää hyvin laajasti erikokoisten ja paksuisten levyjen yhteydessä. Markkinoilla on standardituotteina mm. halkaisijaltaan 2”- 10” levyjä ja vastaavasti niiden paksuudet vaihtelevat edellä mainitusti 50 pm- 2 mm välillä. Keksinnön käyttö ei kuitenkaan rajoitu pelkästään edellä mainitun kokoisten kappaleiden P valmistukseen vaan sitä voidaan soveltaa laajasti erikokoisiin tuotteisiin. Keksinnön käyttö ei rajoitu myöskään määrätyn kokoisten standardiaihioiden yhteyteen vaan sitä voidaan soveltaa paljon laajemmin. Esimerkkinä voidaan mainita kappaleiden P yksittäinen valmistus kahdesta pienestä levyn palasta, jotka ovat silloin mainitut ensimmäinen ja toinen levy 10, 11 ja toisaalta suurien määrien samanaikainen valmistus standardoituja levyjä suuremmista levyistä. Toki tietyn suuremman määrän yhtäaikainen valmistus standardiosista antaa useimmiten taloudellisesti edullisimman lopputuloksen.

Keksinnönmukaisen menetelmän kannalta on oleellista että hyödynnetään tehdasvalmisteisen levyn pinnankirkkautta ja tasomaisuutta kappaleen P optisesti kirkkaan ja taitto-ominaisuuksiltaan edullisen seinämän 1 muodostamisessa. Tähän päästään kek sinnön avulla siten, että seinämän 1 kumpaakaan pintaa ei tarvitse työstää eikä kappaleen P valmistuksessa käytettäviin aihioihin muodosteta niiden muotoa muuttavia lämpöjännityksiä. On tunnettua, että laserablaatio ei aiheuta mainittavaa lämpötilan nousua sen kohteessa. Samoin on tilanne mekaanisen työstön kohdalla, koska lämpötilaa voidaan hallita esim. jäähdytyksellä.

Keksinnönmukaisella menetelmällä voidaan valmistaa erimuotoisia kappaleita P. Kyseeseen tulevat suorakulmioiden lisäksi mm. monikulmaiset, lieriömäiset, muuten kaarevapintaiset ja näiden yhdistelminä toteutettavat kappaleet. Niiden muotojen suhteen on oleellista, että ne voidaan toteuttaa kaksi levyä yhdistämällä. Kappaleen P reunuksen 2 sisäpinta 2.1 voidaan toteuttaa keksinnönmukaista menetelmää käyttäen niin ikään monen muotoisena. Kaikki edellä kerrotut muodot voivat tulla kysymykseen ja tilan 3 muodon määräävänä tekijänä voi olla luonnollisesti esim. sinne sijoitettavan optisen komponentin muoto.

Ablaatiota käytettäessä sen etenemisnopeus voidaan sovittaa aina tapauskohtaisesti sopivaksi. Ablaation aiheuttava fokusoitu lasersäde 13b, josta käytetään mm. nimitystä ”picosecond-laser” voi olla pulssipituudeltaan esim. 10 pikosekuntia ja teho useita kymmeniä watteja (W), jolloin sen etenemisnopeus voi olla useita metrejä sekunnissa. Lasersäde ja ablaatio etenevät kiertäen tiettyä kehää ja siirtyen syvemmälle materiaalin tietyllä siirtymällä per kierros, jolloin materiaalia häviää tai poistuu tästä kohdasta ja kyseiseen kohtaan syntyy rako 15. Ablaatio kuten muutkaan keksinnönmukaisessa menetelmässä käytettävät työstötavat eivät siis vaurioita seinämän 1 ensimmäistä pintaa 1.1.

On huomattava, että vaikka tässä selityksessä on pitäydytty yhdentyyppisessä keksinnölle edullisessa toteuttamisesimerkissä, niin tällä ei kuitenkaan haluta mitenkään rajoittaa keksinnön käyttöä vain tämän tyyppistä esimerkkiä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (7)

1. Menetelmä optisen komponentin suojana käytettävän läpinäkyvän kappaleen (P) valmistamiseksi, joka mainittu kappale käsittää vähintään yhden pinnoiltaan tasomaisen, optisesti kirkkaan seinämän (1) ja tämän seinämän ensimmäisen pinnan (1.1) kiertävän reunuksen (2), jolloin mainitun kappaleen ulkomittojen (x, y, z) sisälle muodostuu mainittuun ensimmäiseen pintaan (1.1) ja reunuksen sisäpintaan (2.1) ulottuva tila (3) ja joka menetelmä on tunnettu siitä, että sen mukaan valmistetaan yksi tai useampi kappale (P) seuraavasti: a. ensimmäinen levy (10) ja toinen levy (11), joista ainakin se josta muodos tetaan seinämä/ seinämät (1) on optisesti kirkas, asetetaan vastakkain, b. mainittujen levyjen vastakkain olevat pinnat (10.2, 11.1) hitsataan foku soidulla lasersäteellä (13a) yhteen niiden yhteisen rajapinnan (12) tasossa, c. edellä mainitussa hitsauksessa muodostetaan kehähitsi (14'), joko yhtenäi sellä hitsillä tai risteävillä hitseillä (14), jokaista valmistettavaa kappaletta (P) varten, d. kunkin kehähitsin (14') mainittujen levyjen (10, 11) paksuussuuntaisen (w) projektiolinjan sisäpuolella suoritetaan työstö, jolla muodostetaan kehämäinen rako (15), joka ulottuu mainituista levyistä (10, 11) sen levyn läpi, josta muodostetaan kappaleen/ kappaleiden (P) reunus/ reunukset (2), e. kuhunkin mainittuun työstökohtaan muodostunut rako (15) irrottaa työstön kohteena olevasta levystä tilan (3) suuruisen osan (16), f. osa/osat (16) poistetaan mainitusta levystä, jolloin muodostuu kappale (P) tai aihio, joka sisältää useamman kuin yhden toisissaan kiinni olevan kappaleen (P), g. mainitun aihion ollessa kyseessä leikataan kappaleet (P) siitä irti näiden kappaleiden kehähitsien (14') välissä olevia leikkauskohtia (100) pitkin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että sen avulla valmistettavan läpinäkyvän kappaleen (P) raaka-aineena on lasi, pii tai safiiri, lasi/ pii/ safiiri-, lasi/ pii-, lasi/safiiri- tai pii/safiiri-yhdistelmä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että siihen kuuluva työstö raon (15) muodostamiseksi suoritetaan ablaatiolla fokusoidun lasersäteen (13b) avulla tai mekaanisen jyrsinnän avulla.

4. Jonkun patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että sen avulla valmistettava kappale (P) on suorakulmio, monikulmio tai lieriö.

5. Jonkun patenttivaatimuksista 1-4 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että sen avulla valmistettava kappaleen tilan (3) muoto on suorakulmio, monikulmio tai lieriö.

6. Jonkun patenttivaatimuksista 1-5 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että fokusoidun lasersäteen (13a) avulla muodostettava kehähitsi (14 ) on kaasutiivis.

7. Jonkun patenttivaatimuksista 1-6 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että siinä käytettävät ensimmäinen ja toinen levy (10, 11) ovat tehdasvalmisteisia levyjä.