Optimizing mechanics and the process of fixing sensor PCB card to optics after active alignment

189 Pages·2015·4.48 MB·English

by  Theodor Wahlgren

Master Thesis

Optimizing mechanics and the
process of fixing sensor PCB card

to optics after active alignment

Erik Nilsson & Theodor Wahlgren

Division of Machine Design • Department of Design Science

Faculty of Engineering LTH • Lund University • 2015

Optimizing mechanics and the process of
fixing sensor PCB card to optics after active
alignment
Erik Nilsson & Theodor Wahlgren

Division of Machine Design • Department of Design Science
Faculty of Engineering LTH • Lund University • 2015
Division of Machine Design, Department of Design Science
Faculty of Engineering LTH, Lund University
P.O. Box 118
SE-221 00 Lund
Sweden

ISRN: LUTMDN/ TMKT--15/5527—SE
Preface
This report is the result of our master thesis within Mechanical Engineering with
product development. The thesis was performed at the Division of Machine Design,
Department of Design Science within the Faculty of Engineering LTH, Lund
University. The project was conducted in collaboration with Axis Communications
AB, at the department of Research and Development, Lund.
The purpose of this thesis is to optimize the fixing process of a sensor PCB card to
optical equipment after active alignment.
We would like to thank our mentors, Mikael Persson and Carl Oreborg at Axis
Communications. They were a continuous source of inspiration and supported us
throughout this project. Also, a special thanks to our supervisor Oscar Strand, whose
positive attitude encouraged us along the way.
We would also like to thank a number of people at Axis, who has given us both their
time and expertise. Special thanks to Sven Svensson and Stig Frohlund, who quickly
provided manufactured components, along with Magnus Bergkvist for taking his time
to aid us through experimental measuring operations.
Finally, thanks to Per-Erik Andersson, our mentor at Lund University, for supporting
us with the academic part of this master thesis and to Neven Ibrakovič who helped us
during tests at LTH.

Lund, June 2015

Erik Nilsson & Theodor Wahlgren

i

Abstract
This report describes the development of a new fixing process when attaching a
sensor PCB card to a camera assembly. The thesis focused on cameras which requires
calibration to find the optimal position of the sensor PCB card, a process called active
alignment.
The development process applied for this thesis was derived from the Generic
Development Process by Ulrich and Eppinger. Interviewees with project members
and experts within Axis Communications AB were the main source of information.
From the interviewees’ statements, an interpretation into customer needs was
performed. Some of the more important identified needs were to simplify production
and minimize the sources of error present with the current solutions.
The challenges with the process of fixing the sensor PCB card were broken down to a
simpler version, i.e. fixing two arbitrary components. The customer needs were used
to evaluate different fixing methods and the most promising methods were selected. A
concept generation process was initiated to find possible solutions within each fixing
method. The most basic concepts were quickly evaluated through discussion and then
later on through a concept scoring, to identify the most promising ideas. Further
evaluation of these concepts included more information gathering of the fixing
methods and discussions about their implementation into production. Then, the most
promising concept was selected.
With this concept, the details of the solution were further optimized. Through further
testing, new demands of the concept were found and solved, arriving at the final
specifications of the concept. The final design solution was validated through more
thorough testing.
The result is a new general process, which uses UV light curable adhesives. By
adding a transparent silicone gasket, control over the adhesive is obtained and results
in a simplified as well as significantly improved production chain.

Keywords: Active alignment, Adhesive, UV light, Sensor PCB card, Camera,
Product development, Axis Communications AB

iii
iv
Sammanfattning
Den här rapporten behandlar utvecklingen av en ny process för att fixera sensor-PCB-
kort till optik i kameramonteringsprocessen. Projektet har fokuserat på kameror som
kräver en kalibreringsprocess för att hitta den optimala positionen av sensor-PCB-
kort, en process som kallas aktiv kalibrering.
Vid kameratillverkning är sensorkortets position avgörande för att få en högupplöst
och god bildkvalitet. För att uppnå detta krävs en vinkelrät position mellan den
optiska axeln och kamerans sensor. Även den minsta avvikelse från denna position
leder till en försämrad bildkvalitet. Denna position skulle kunna uppnås enbart genom
att erhålla små mekaniska toleranser på alla de ingående kamerakomponenterna. Efter
senare års förbättringar inom kamerateknologi finns nu kameror med extremt hög
upplösning, där det inte längre är rimligt att lita på dessa toleranser. Då används
istället aktiv kalibrering för att justera sensor till den optimala positionen. När denna
position är funnen måste sensorkortet fixeras. Det här examensarbetet har hanterat hur
denna fixering ska ske för att säkerställa en stabil produktion samt erhålla en god
fixering av sensorkortet som inte ger bildförsämringar med tiden.
Utvecklingsmetoden som tillämpades för detta projekt är härledd från Generic
Development Process av Ulrich och Eppinger. Intervjuer med projektmedlemmar och
experter inom Axis Communications AB användes som den främsta källan till
information, från intervjuerna togs kundkrav fram. Några av de viktigaste kraven var
att förenkla produktionen och minimera felen som kan uppstå med de nuvarande
lösningarna.
Utmaningen med att fixera ett sensor-PCB-kort bröts ner till ett mer grundläggande
problem, att fixera två godtyckliga komponenter med varandra. Kundkraven användes
för att utvärdera fixeringsmetoder och de mest lovande metoderna valdes ut. En
konceptgeneringsfas påbörjades för att finna möjliga lösningar till problemet inom
varje fixeringsmetod. De mest grundläggande koncepten utvärderades snabbt genom
diskussioner och senare även genom att poängsätta koncepten. De mest lovande
koncepten identifierades och utvärderades ytterligare. Nästa steg innefattade en
omfattande undersökning av de olika fixeringsmetoderna och diskussioner
behandlade hur de skulle kunna implementeras i produktion. Sedan valdes det mest
lovande konceptet ut.
v
Detta koncept utvärderas ytterligare och en mer detaljerad plan över konceptet togs
fram. Genom tester av konceptet upptäcktes nya krav som formade den slutgiltiga
lösningen. Denna slutgiltiga lösning genomgick slutligen valideringstester för att
säkerställa dess funktionalitet.
Den slutgiltiga lösningen är en generell process som använder sig av UV-härdande
lim. Genom att applicera en genomskinlig silikonpackning till
kameramonteringsprocessen ges kontroll över limmet, vilket resulterar i en förenklad
men även avsevärt förbättrad produktionslina. Den nya fixeringsprocessen klarar de
ställda kraven för en lösning som används i kombination med aktiv kalibrering och
kan utnyttjas i flertalet av Axis kameror. En illustration av den slutgiltiga lösningen
kan ses i Figur 1.

Genomskinlig Sensorkort
silikonpackning

Figur 1. En illustration av den slutgiltiga lösningen.
vi