DE9107998U1

DE9107998U1 - Device for producing optical structures in plane-parallel plates

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Publication number: DE9107998U1
Application number: DE9107998U
Authority: DE
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1991-10-10
Anticipated expiration: 2001-06-29

Description

Gebrauchsmusteranmeldung
5 Utility model application
5

Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH, Alte Nussdorfer Strasse 15 D-7770 Ueberlingen

Vorrichtung zur Herstellung von optischenDevice for the production of optical
Strukturen in planparallelen PlattenStructures in plane-parallel plates

Technisches GebietTechnical area

Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von optischen Strukturen in planparallelen Platten durch feldunterstützten Ionenaustausch, enthaltendThe innovation relates to a device for producing optical structures in plane-parallel plates by field-assisted ion exchange, containing

(a) Haltekörper mit einander zugewandten im wesentlichen vertikalen Flächen, zur Halterung einer mit einer Maske versehenen Platte in im wesentlichen vertikaler Anordnung, wobei in diesen vertikalen Flächen Hohlräume gebildet sind, die zu der Platte hin offen sind und an die Platte angrenzen,(a) holding bodies with mutually facing substantially vertical surfaces for holding a plate provided with a mask in a substantially vertical arrangement, wherein cavities are formed in these vertical surfaces which are open towards the plate and adjoin the plate,

(b) eine Einrichtung zum wahlweisen Einleiten einer Salzschmelze in diese Hohlräume und(b) a device for selectively introducing a molten salt into these cavities and

(c) eine Einrichtung zum Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen die Haltekörper zur Erzeugung eines quer zu der Platte verlaufenden elektrischen Feldes.(c) means for applying an electrical voltage between the holding bodies to generate an electric field running transversely to the plate.

Zugrundeliegender Stand der TechnikUnderlying state of the art

Durch die EP-A-O 326 920 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von optischen Strukturen wie Wellenleitern in planparallelen Glasplatten bekannt. Dabei sollen in den planparallelen Glasplatten durch Ionenaustausch aus einer Salzschmelze Zonen mit erhöhtem Brechungsindex als optische Wellenleiter o. dgl. erzeugt werden. Zu diesem Zweck ist die mit einer Maske versehene Platte zwischen zwei Haltekörper aus Metall eingespannt. Die Haltekörper bilden beiderseits der Platte Hohlräume, die zu der Platte hin offen sind. Die Hohlräume sind von geschlossenen Dichtflächen umgeben, die an der Platte anliegen. Vorratsbehälter für Salzschmelze sind über Füllzuleitungen mit den unteren Enden der Hohlräume verbunden. Von den oberen Enden der Hohlräume gehen Entlüftungsleitungen ab. Die Hohlräume sind dabei nach oben hin offene Bohrungen der Haltekörper. Die Haltekörper sind durch eine Klemmvorrichtung, die Tellerfedern enthält, mit der Platte zusammengeklemmt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die metallischen Haltekörper wird ein elektrisches Feld erzeugt, durch das der Ionenaustausch unterstützt wird.EP-A-0 326 920 discloses a device for producing optical structures such as waveguides in plane-parallel glass plates. Zones with an increased refractive index are to be produced in the plane-parallel glass plates as optical waveguides or the like by ion exchange from a molten salt. For this purpose, the plate provided with a mask is clamped between two metal holding bodies. The holding bodies form cavities on both sides of the plate which are open towards the plate. The cavities are surrounded by closed sealing surfaces which rest against the plate. Storage containers for molten salt are connected to the lower ends of the cavities via filling lines. Ventilation lines lead from the upper ends of the cavities. The cavities are holes in the holding bodies which are open at the top. The holding bodies are clamped together with the plate by a clamping device which contains disc springs. By applying an electrical voltage to the metallic holding bodies, an electric field is generated which supports the ion exchange.

Die gesamte Anordnung muß auf eine recht hohe Temperatur gebracht werden, bei welcher die Salzschmelze flüssig ist und der Ionenaustausch stattfindet. Dabei darf an der Glasplatte praktisch kein lokaler Wärmeabfluß stattfinden, weil sonst Spannungen in der Glasplatte auftreten und die Glasplatte springt. Die Druckschrift enthält keine Offenbarung darüber, wie das bewerkstelligt werden soll. In der Praxis wird die in der Druckschrift beschriebene Anordnung in einen Ofen gesetzt und langsam auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt, bei der das in die Vorratsbehälter eingegebene Salz schmilzt. Zum Wechseln der GlasplattenThe entire arrangement must be brought to a fairly high temperature at which the molten salt is liquid and the ion exchange takes place. There must be practically no local heat flow on the glass plate, otherwise tensions will arise in the glass plate and the glass plate will crack. The publication contains no disclosure about how this is to be achieved. In practice, the arrangement described in the publication is placed in an oven and slowly heated to the desired temperature at which the salt placed in the storage containers melts. To change the glass plates

muß dann der Ofen und die gesamte Anordnung wieder abgekühlt werden, so daß die Klemmvorrichtung gelöst und die behandelte Platte durch eine neue unbehandelte Platte ersetzt werden kann. Diese nächstliegende Prozedur ist recht langwierig.The oven and the entire assembly must then be cooled down again so that the clamping device can be released and the treated plate can be replaced by a new untreated plate. This next procedure is quite lengthy.

Ein ähnliches Verfahren zur Herstellung von Wellenleitern auf einem Glassubstrat durch Ionenaustausch zeigt die EP-A-O 356 644.
IOA similar process for producing waveguides on a glass substrate by ion exchange is shown in EP-AO 356 644.
IO

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art eine einwandfreie Dichtung zwischen den Haltekörpern und der Platte zu erreichen.The innovation is based on the task of achieving a perfect seal between the holding bodies and the plate in a device of the type mentioned above.

Neuerungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daßAccording to the innovation, this task is solved by

(d) die besagten vertikalen Flächen um die Hohlräume herum Dichtungen aus Reingraphit tragen, durch welche eine Abdichtung zwischen den Hohlkörpern und den Oberflächen der Platte herstellbar ist.(d) said vertical surfaces around the cavities bear gaskets made of pure graphite, by means of which a seal can be created between the hollow bodies and the surfaces of the plate.

Vorteilhafterweise wird die Neuerung in der Weise verwirklicht, daß die Dichtungen in je eine den betreffenden Hohlraum umgebende Ringnut eingepreßt sind.Advantageously, the innovation is implemented in such a way that the seals are pressed into an annular groove surrounding the respective cavity.

Es hat sich durch umfangreiche Versuche gezeigt, daß Reingraphit mit einer Reinheit von 98 bis 99,8% keinen Einfluß auf den Ionenaustausch hat. Es ergab sich eine gute Abdichtung für die dünnflüssige Salzschmelze. Das Material erwies sich als widerstandsfähig auch bei den auftretenden hohen Temperaturen.
35Extensive tests have shown that pure graphite with a purity of 98 to 99.8% has no influence on the ion exchange. It resulted in a good seal for the thin molten salt. The material proved to be resistant even at the high temperatures that occurred.
35

Durch die Fixierung der Dichtung in der Ringnut kann die Dichtung für längere Zeit, d.h. für die Bearbeitung einer Mehrzahl von Platten, im Einsatz bleiben. Der Verbrauch an Dichtungen hält sich daher in tragbaren Grenzen. Ein Verrutschen der Dichtung ist ausgeschlossen. Probleme der Temperaturbeständigkeit und der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung, wie sie beim Aufkleben der Dichtung auf eine plane Fläche des Haltekörpers mittels eines Klebers auftreten wurden, werden vermieden.
IOBy fixing the seal in the ring groove, the seal can remain in use for a longer period of time, ie for processing a large number of plates. The consumption of seals is therefore kept within acceptable limits. Slipping of the seal is impossible. Problems of temperature resistance and different thermal expansion, which would occur when gluing the seal to a flat surface of the holding body using an adhesive, are avoided.
IO

Die Neuerung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher er 1äutert.The innovation is explained in more detail below using an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawings.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Fig.1 zeigt einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Herstellung von optischen Strukturen in planparallelen Platten durch feldunterstützten Ionenaustausch.Fig.1 shows a section through a device for producing optical structures in plane-parallel plates by field-assisted ion exchange.

Fig.2 ist eine Ansicht einer Kontaktfläche, mit welcher ein Haltekörper der Vorrichtung von Fig.1 an einer Platte für den Ionenaustausch anliegt.
25Fig.2 is a view of a contact surface with which a holding body of the device of Fig.1 rests on a plate for ion exchange.
25

Fig.3 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Schnitt längs der Linie A - B von Fig.2.Fig.3 shows on an enlarged scale a section along the line A - B of Fig.2.

Fig.4 ist eine Ansicht einer bei der Vorrichtung nach Fig.1 und 2 benutzten Graphitdichtung in RichtungFig.4 is a view of a graphite seal used in the device according to Figs.1 and 2 in the direction

auf die Kontaktfläche gesehen.viewed from the contact surface.

Fig.5 ist eine zugehörige Seitenansicht.
35Fig.5 is a corresponding side view.
35

Fig.6 zeigt schematisch die Vorrichtung von Fig.1 mit eingespannter Platte aber vor Durchführung des Ionenaustauschs.Fig.6 shows schematically the device of Fig.1 with a clamped plate but before the ion exchange is carried out.

Fig.7 zeigt schematisch die Vorrichtung von Fig.1 während der Durchführung des Ionewnaustauschs.Fig.7 shows schematically the device of Fig.1 during the implementation of the ion exchange.

Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention

In Fig.1 sind mit 10 und 12 zwei Haltekörper bezeichnet. Die beiden Haltekörper 10 und 12 sind spiegelbildlich zueinander angeordnet und ausgebildet. Die Haltekörper sind Metallblöcke mit zwei einander zugewandten Kontaktflächen 14 und 16 sind rechteckige oder quadratische Ausnehmungen oder Hohlräume 18 bzw. 20 gebildet. Die Hohlräume 18 und 20 sind zu dem jeweils anderen Haltekörper hin offen.In Fig.1, two holding bodies are designated 10 and 12. The two holding bodies 10 and 12 are arranged and designed as mirror images of each other. The holding bodies are metal blocks with two contact surfaces 14 and 16 facing each other. Rectangular or square recesses or cavities 18 and 20 are formed. The cavities 18 and 20 are open towards the other holding body.

In den Haltekörpern 10 und 12 sind zwei vertikale Bohrungen 22 bzw. 24 angebracht. Diese Bohrungen 22 und 24 bilden Reservoirs für eine Salzschmelze. Die Vorräte 26 und 28 an Salzschmelze sind in der Ruhestellung im unteren Teil der Bohrung 22 bzw. 24 unterhalb von Einlaßkanälen 26 bzw. 28 enthalten. Dieser Zustand ist in Fig.6 dargestellt. Die Einlaß- und Auslaßkanäle 26 oder 28 münden am unteren Rand des Hohlraums 18 bzw. 20. Das ist in Fig.2 für den Hohlraum 18 dargestellt. Am oberen Rand des Hohlraumes 18 oder 20 sind jeweils Entlüftungskanäle 30 bzw. 32 vorgesehen, die ebenfalls mit der Bohrung 22 bzw. 24 in Verbindung stehen. In den Bohrungen 22 und 24 sind Verdrängungskörper 34 bzw. 36 beweglich. Durch die Verdrängungskörper 34 und 36 , deren Durchmesser geringer ist als der der Bohrung 22 bzw. 24 kann die Salzschmelze hochgedrückt werden, so daß sie die Hohlräume 18 und 20 ausfüllt. Das ist in Fig.7 dargestellt.Two vertical holes 22 and 24 are provided in the holding bodies 10 and 12. These holes 22 and 24 form reservoirs for a molten salt. The supplies 26 and 28 of molten salt are contained in the rest position in the lower part of the hole 22 and 24 below inlet channels 26 and 28. This state is shown in Fig.6. The inlet and outlet channels 26 or 28 open at the lower edge of the cavity 18 or 20. This is shown in Fig.2 for the cavity 18. At the upper edge of the cavity 18 or 20, vent channels 30 and 32 are provided, which are also connected to the hole 22 and 24. Displacement bodies 34 and 36 are movable in the holes 22 and 24. The molten salt can be pushed up by the displacement bodies 34 and 36, whose diameter is smaller than that of the bore 22 and 24, so that it fills the cavities 18 and 20. This is shown in Fig.7.

Die beiden Haltekörper 10 und 12 sitzen in einem isolierenden Gehäuse 38. Die Haltekörper werden in nicht dargestellter Weise durch eingebaute Heizungen so beheizt, daß die Salzschmelze in flüssigem Zustand gehalten wird. Das Gehäuse 38 weist eine Einführöffnung 40 auf. Durch diese Einführöffnung 40 wird eine Platte 42 eingeführt, die Zur Durchführung des Ionenaustauschs zwischen den Haltekörpern 10 und 12 gehalten wird, wie das in Fig.6 und 7 dargestellt ist. Durch Spannvorrichtungen 44 und 46 können die Haltekörper 10 und 12 auseinandergefahren oder nach Einführung einer Platte in den Zwischenraum zwischen den Kontaktflächen 14 und 16 wieder gegeneinander bzw. gegen die Platte 42 gedrückt werden.The two holding bodies 10 and 12 are located in an insulating housing 38. The holding bodies are heated in a manner not shown by built-in heaters so that the molten salt is kept in a liquid state. The housing 38 has an insertion opening 40. A plate 42 is inserted through this insertion opening 40, which is held between the holding bodies 10 and 12 to carry out the ion exchange, as shown in Fig. 6 and 7. The holding bodies 10 and 12 can be moved apart by clamping devices 44 and 46 or, after a plate has been inserted into the space between the contact surfaces 14 and 16, pressed against each other or against the plate 42.

Die Verdrängungskörper 34 und 36 werden angehoben. Dann sinkt der Flüssigkeitsspiegel der Salzschmelze unter die Einlaß- und Auslaßkanäle 26 und 28 ab. Die Haltekörper 10 und 12 werden durch die Spannvorrichtungen 44 und 46 auseinandergefahren. Eine Platte 42, die mit einer optischen Struktur zu versehen ist, wird durch die Einführöffnung 40 zwischen die Haltekörper 10 und 12 gebracht. Die Haltekörper 10 und 12 werden durch die Spannvorrichtungen 44 und 46 wieder zusammengefahren und halten die Platte 42 zwischen sich. Zwischen der Platte 42 und den Haltekörpern 10 und 12 erfolgt dabei um die Hohlräume 18 bzw. 20 herum in noch zu beschreibender Weise eine Abdichtung. Die Verdrängungskörper 34 und 36 werden abgesenkt. Dadurch wird die Salzschmelze hochgedrückt und füllt die Hohlräume 18 und 20. Durch die Entlüftungskanäle 30 und 32 kann dabei die Luft aus den Hohlräumen 18 bzw. 20 entweichen. Zwischen die Haltekörper 10 und 12 wird eine elektrische Spannung angelegt. Es erfolgt ein feldunterstützter Ionenaustausch. Bei diesem Ionenaustausch entsteht eine durch die Maske auf der Platte 42 bestimmte optischeThe displacement bodies 34 and 36 are raised. Then the liquid level of the molten salt sinks below the inlet and outlet channels 26 and 28. The holding bodies 10 and 12 are moved apart by the clamping devices 44 and 46. A plate 42, which is to be provided with an optical structure, is brought through the insertion opening 40 between the holding bodies 10 and 12. The holding bodies 10 and 12 are moved together again by the clamping devices 44 and 46 and hold the plate 42 between them. A seal is created between the plate 42 and the holding bodies 10 and 12 around the cavities 18 and 20, respectively, in a manner to be described below. The displacement bodies 34 and 36 are lowered. As a result, the salt melt is pushed up and fills the cavities 18 and 20. The air can escape from the cavities 18 and 20 through the ventilation channels 30 and 32. An electrical voltage is applied between the holding bodies 10 and 12. A field-assisted ion exchange takes place. This ion exchange creates an optical pattern determined by the mask on the plate 42.

Struktur. Danach werden die Verdrängungskörper 34 und -36 wieder angehoben. Der Flüssigkeitsspiegel der Salzschmelze sinkt unter die Einlaß- und Auslaßkanäle 26 und 28. Die Haltekörper 10 und 12 werden auseinandergefahren, die behandelte Platte 42 wird herausgezogen und eine neue Platte eingesetzt. Dieses Verfahren ist Gegenstand der (nicht vorveröffentlichten) deutschen Patentanmeldung P 41 08 424. 1 .Structure. The displacement bodies 34 and 36 are then raised again. The liquid level of the molten salt sinks below the inlet and outlet channels 26 and 28. The holding bodies 10 and 12 are moved apart, the treated plate 42 is pulled out and a new plate is inserted. This process is the subject of the (unpublished) German patent application P 41 08 424. 1 .

In Fig.2 und 3 ist die Ausbildung der Kontaktflächen 14 oder 16 und der Dichtung zwischen den Kontaktflächen 14 und 16 und der Platte 42 im einzelnen dargestellt.In Fig.2 and 3, the design of the contact surfaces 14 or 16 and the seal between the contact surfaces 14 and 16 and the plate 42 is shown in detail.

Der Hohlraum 18 ist eine flache, rechteckige Vertiefung in der Kontaktfläche 14. Dieser Hohlraum 18 ist von einer Ringnut 48 umgeben. In der Ringnut 48 sitzt eine Dichtung 50 aus Reingraphit. Die Einlaß- und Auslaßkanäle 26 münden in den Hohlraum 18 dicht einwärts von der Ringnut 48.The cavity 18 is a flat, rectangular depression in the contact surface 14. This cavity 18 is surrounded by an annular groove 48. A seal 50 made of pure graphite is located in the annular groove 48. The inlet and outlet channels 26 open into the cavity 18 just inside the annular groove 48.

Die Dichtungen sind in Fig.4 und 5 gesondert dargestellt. Sie bestehen aus einem Gaphit mit einer Reinheit von 98 bis 99,8%. Sie können aus einem Material hergestellt sein, das unter dem Markennamen "Grafseal" handelsüblich erhältlich ist. Bei einer erprobten Ausführung sind die Dichtungen aus einem Material von 2 Millimeter Dicke mittels einer Schablone geschnitten. Die Breite der Dichtung ist bei dieser Ausführung 3,1 Millimeter. Es hat sich gezeigt, daß mit einer solchen Graphitdichtung eine einwandfreie Abdichtung des Hohlraumes 18 bzw. 20 für die dünnflüssige Salzschmelze erzielen läßt. Bei genauer Passung der Dichtung 50 un der Ringnut 48 kann die Salzschmelze auch nicht unter der Dichtung 50 durch die Ringnut 48 hindurch nach außen kriechen. Schließlich hat sich gezeigt, daß die Dichtung 50 beständig ist und den Ionenaustausch nicht stört.The seals are shown separately in Fig. 4 and 5. They consist of a graphite with a purity of 98 to 99.8%. They can be made of a material that is commercially available under the brand name "Grafseal". In a tested version, the seals are cut from a material 2 millimeters thick using a template. The width of the seal in this version is 3.1 millimeters. It has been shown that with such a graphite seal, a perfect seal of the cavity 18 or 20 for the thin liquid molten salt can be achieved. If the seal 50 and the annular groove 48 fit precisely, the molten salt cannot creep out through the annular groove 48 under the seal 50. Finally, it has been shown that the seal 50 is durable and does not interfere with the ion exchange.

Claims

Protection claims

1. Device for producing optical structures in plane-parallel plates by field-assisted ion exchange, comprising
IO

(a) Holding bodies with mutually facing, essentially vertical surfaces for holding a plate provided with a mask in an essentially vertical arrangement, wherein cavities are formed in these vertical surfaces which lead to

are open towards the plate and border on the plate,

(b) a device for selectively introducing a molten salt into these cavities and

(c) a device for applying an electrical voltage between the holding bodies to generate an electric field running transversely to the plate,

dadurch gekennzeichnet, daßcharacterized in that

(d) said vertical surfaces around the cavities bear seals made of pure graphite, by

which a seal can be created between the hollow bodies and the surfaces of the plate.

2. Device according to claim 1, characterized in that the seals are each pressed into an annular groove surrounding the respective cavity.