DE2718156A1

DE2718156A1 - Verfahren zum schneiden eines nichtleitenden koerpers

Info

Publication number: DE2718156A1
Application number: DE19772718156
Authority: DE
Inventors: Kurt Reznicek
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1976-04-29
Filing date: 1977-04-23
Publication date: 1977-11-17
Also published as: DE2718156C2; SE425299B; CA1068793A; CH617378A5; US4052584A; BE853921A; GB1526156A; FR2349396B1; NL7704504A; IT1085768B; JPS52133192A; ES458284A1; SE7704393L; JPS5632279B2; FR2349396A1

Description

BLUMBACH · VvESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2718156

Patentconsult Radeckestraße 43 8003 München 60 Telefon (089) 88 3603/883604 Telex 05-212315 Telegramme Pateniconsult Patentconsult Sornenberger SlraOe 43 6Γ00 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex· 04-186 237 Telegramme Palentconsul!

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schneiden eines Körpers aus im wesentlichen nichtleitendem Material, wobei der Körper auf einer Unterlage befestigt, ein längsverlaufendes Schneidglied gegenüber dem Körper in Stellung gebracht und die Unterlage in zum Schneidglied senkrechten Richtungen entsprechend dem jeweils gewünschten Schnittmuster bewegt wird.

Elektroerosionsbearbeitung mit Hilfe eines Drahtes ist ein bekanntes Verfahren zum Schneiden leitender Materialien unter Verwendung einer Drahtelektrode. Hierbei wird ein sich kontinuierlich bewegender Kupferdraht in der Nähe des zu schneidenden leitenden Materials angeordnet. Zwischen Draht und Material wird elektrische Spannung angelegt, während eine flüssige Lösung (beispielsweise deionisiertes Wasser) dem Draht koaxial zugeführt wird. Zwischen dem Draht und dem Material treten zahlreiche elektrische Entladungen auf und verursachen einen Schnitt in dem Material durch Elektroerosion.

München: R. Kramer Dipl.-Ing. - W. Weser Oipl.-Phys. Dr. rer. nat. . P. Hirsch Dipl.-Ing. . H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. ptnl. nal. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing Dr. jur. . C-. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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Dieses bekannte Verfahren führt zu einem berührungsfreien Bearbeitungsprozeß, ohne daß Kräfte auf den Kupferdraht ausgeübt werden. Mit dieser bekannten Methode können sowohl einfache, wie auch komplizierte Schnittmuster erzielt werden. Die bekannte Methode kann jedoch nur zum Schneiden leitender vrerl:·- stücke, beispielsweise aus Stahl oder Kupfer, verwendet vorden und ist naturgemäß zum Schneiden isolierender Haterialien, wie Quarzplatten, ungeeignet.

Ein bekanntes Verfahren zum Schneiden piezoelektrischer Kristalle ist von W. P. Mason in "Piezoelectric Crystals and their Application to Ultrasonics", 1950, Seiten 167 - 168 beschrieben. Hiernach erfolgt das Schneiden mit Hilfe einer Naß-Bandsäge, die aus einer Vielzahl über Riemenscheiben laufenderν oder dergl. aufgebaut ist. Nach dem Zerschneiden eines Kristalls müssen die Kanten der solcherart gebildeten Kristallplatten geschliffen werden, um ein flaches und geradkantiges Finish zu erhalten. Das Verfahren ist zum Schneiden von Kristallplatten adäquat. Die Resonanzfrequenz solcher Platten muß jedoch durch geeignete Modifikation der Plattenabmessungen noch justiert werden. Mit anderen Worten, nach diesem bekannten Verfahren erhält man rauhe, unebene Schnitte und überdies unerwünschte Spannungen im Kristallmaterial. Obgleich die bekannte Methode für gewisse Anwendungsfälle akzeptabel ist, eignet sie sich insbesondere dort nicht, wo sehr dünne Quarzplatten entsprechend einem vorbestimmten Schnittmuster zu schneiden sind.

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Aufgabe der Erfindung ist es daher, dem abzuhelfen.

Gemäß der Erfindung geschieht dieses für das Verfahren der einleitend beschriebenen Art dadurch, daß der Körper mit einer leitenden Schicht beschichtet, ein Schneidglied aus leitendem Material verwendet und elektrische Spannung zwischen Schneidglied und leitende Schicht zur Erzeugung von Steuersignalen angelegt wird, die über die Größe des Abstandes zwischen Schneidglied und leitender Schicht Aufschluß geben, und die Steuersignale zur Steuerung der Unterlagenbewegung verwendet werden derart, daß diese verringert oder angehalten werden kann, wenn die Abstandsgröße unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachstehend ist die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsformen von Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens im einzelnen beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Apparatur zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens,

Fig. 2A und 2B eine vergrößerte Drauf- bzw. Seitenansicht eines Teils der Anordnung nach Fig. 1, und

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Fig. 3 eine Seitenansicht eines Teils einer weiteren Ausführungsform einer Apparatur zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens.

Die in Fig. 1 dargestellte Apparatur zum Schneiden eines aus isolierendem Material hergestellten Werkstückes 1 weist eine als Tisch dienende Unterlage 3 auf, die mit einer XY-Versetzungssteuereinheit 4 zu seiner selektiven Bewegung in der durch die dargestellten Doppelpfeile definierten X, Y-Ebene auf. Die Versetzungssteuereinheit 4 ist über ein Hebelgetriebe 5 mit dem Tisch 3 mechanisch gekoppelt und steuert die Bewegungen des Tisches entsprechend einer vorbestimmten Gruppe von Versetzungsmustern. Solche vorbestimmte Muster werden der Versetzungssteuereinheit in bekannter Weise geeignet zugeführt, beispielsweise mit Hilfe von Lochkarten oder Speicherbändern über einen elektronischen Rechner.

Das Werkstück 1 wird auf einer seiner Oberflächen mit einer leitenden Schicht versehen. Diese kann auf dem isolierenden Werkstück 1 nach üblichen Methoden, beispielsweise durch Aufdampfen, Plattieren oder Aufstäuben niedergeschlagen v/erden. Alternativ kann eine solche leitende Schicht auf der Oberfläche des Werkstücks 1 mit Hilfe eines zweiseitigen Bandes aufgebracht werden.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 ist ein in Form eines Drahtes

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vorliegendes Schneidglied im wesentlichen senkrecht zum Tisch 3 angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Schneiddraht 6 um einen dünnen Kupferdraht mit hierin eingebetteten Diamantpartikeln, alternativ können auch andere metallische Schneidglieder verwendet werden. Der Schneülraht 6 wird in vertikaler Richtung mit Hilfe einer Zuführrolle 7 und einer Aufnahmerolle 8 bewegt. Drahtführungsrollenpaare 9 und 10 führen den Schneiddraht 6 im wesentlichen senkrecht zur Hauptfläche des isolierenden Werkstücks 1. Hinsichtlich des isolierenden Werkstückes 1 wird nachstehend von einer Quarzplatte als Beispiel ausgegangen. Das vorliegende Verfahren ist jedoch gleichermaßen bei anderen isolierenden Materialien, wie Glimmer, Glas usw. anwendbar.

Eine Spannungsquelle 11 ist mit ihrem einen Pol mit dem Schneiddraht 6 und mit ihrem anderen Pol mit der leitenden Schicht 2 verbunden. Entsprechend dem bekannten, vorstehend beschriebenen Draht-Elektroerosionsbearbeitungsprozeß ist ein Abstandsdetektor 12 zwischen Schneiddraht 6 und leitender Schicht 2 eingekoppelt. Eine Ausgangsleitung 13 des Abstandsdetektors 12 ist mit der X, Y-Versetzungssteuereinheit 4 gekoppelt. Die Hauptfunktion des Abstandsdetektors 12 ist die überwachung der Entfernung zwischen dem Schneiddraht und der leitenden Schicht 2 an der Schneidstelle und die Erzeugung eines Steuersignals auf der Ausgangsleitung 13 zur Steuerung der Versetzungseinheit A. Ein solcher Abstandsdetektor kann beispielsweise die

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Kapazität zwischen Schneiddraht 6 und der leitenden Schicht an der Schneidstelle messen und ein elektrisches Steuersignal auf der Ausgangsleitung 13 erzeugen, solange die Kapazität unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes bleibt. Alternativ kann der Abstandsdetektor 12 in den durch die Spannungsquelle 11, den Schneiddraht 6 und die leitende Schicht 2 gebildeten elektrischen Stromkreis eingefügt werden, um Stromänderungen zwischen Draht und Schicht an der Schneidstelle zu messen und in Abhängigkeit hiervon Steuersignale zu erzeugen. Eine flüssige Lösung, beispielsweise deionisiertes V/asser, wird an der Schneidstelle koaxial zum Schneiddraht 6 mit Hilfe der schematisch bei 14 in Fig. 1 dargestellten Anordnung zugeführt.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist entsprechend dem vorliegenden Verfahren weiterhin ein Drahtversetzungsdetektor in der Nähe der Schneidstelle angeordnet, mit dem Ausbiegungen des Drahtes 6 aus der vertikalen Bewegungsrichtung festgestellt werden. Ansprechend auf eine solche Drahtausbiegung, erzeugt der Versetzungsdetektor 15 ein Signal auf seiner Steuerleitung 16 zur Blockierung des Abstandsdetektors 12 und zur Verhinderung, daß der Detektor 12 ein Steuersignal auf der Ausgangsleitung 13 erzeugt. Bei der Anordnung nach Fig. 1 wird, wenn die Eingangsdaten von der Einheit 17 der X, Y-Versetzungssteuereinheit 4 zum Schneiden der Quarzplatte entspre-

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chend einem programmierten Muster zugeführt werden, der Tisch 3 dahingehend angesteuert, daß er mit seiner Bewegung in der X-Richtung beginnt, bis der Schneiddraht 6 die Kante der Quarzplatte 1 berührt. Sodann wird deionisierten Wasser zu der Stelle zugeführt, wo der Draht 6 die Kante 18 der Quarzplatte 1 berührt. Anschließend wird Spannung zv/ischen den leitenden Draht 6 und leitende Schicht 2 angelegt, und die Rollen 7 und 8 beginnen, den Draht in der vertikalen Richtung zu bewegen. Zu diesem Zeitpunkt, zu dem der Draht gerade die Kante der Platte 1 berührt, findet kein Schneiden der Platte statt. Entsprechend der bekannten Elektroerosionsmethode wird ein kleiner Teil der leitenden Schicht 2, der benachbart zum Draht 6 gelegen ist, durch Elektroerosion entfernt. Wenn daraufhin die Versetzungssteuereinheit 4 den Tisch 3 (über das mechanische Hebelgetriebe 5) in der X-Richtung weiterzubewegen beginnt, wird der diamantbesetzte Kupferdraht 6 anfangen, in die Quarzplatte 1 zu schneiden, und zwar unter Aufrechterhaltung eines sehr kleinen Abstandes von der leitenden Schicht 2.

Wenn sich der Schneiddraht 6 in Fig. 1 nach unten bewegt und wenn der Tisch 3 in der X-Richtung bewegt wird, dann existiert ein lichter Abstand zwischen dem Draht und der leitenden Schicht an der Schneidstelle. Dieser Abstand ist in Fig. 2A vergrößert herausgezeichnet. Solange der Abstand zwischen dem Draht und der Schicht oberhalb eines vorbestimmten Wertes

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bleibt, erzeugt der Abstandsdetektor 12 ein Steuersignal auf seiner Ausgangsleitung 13 zur kontinuierlichen Aktivierung des Betriebs der VersetzungsSteuereinheit A. Tritt eine Bewqpngsrichtungsänderung des Tisches 3> beispielsweise in der Y-Richtung auf, dann würde der Schneiddraht 6 in der Y-Richtung ausgebogen und würde nicht mehr senkrecht zur Oberfläche der Quarzplatte 1 an der Schnittstelle stehen. Wenn unter diesen Bedingungen der Schneidprozeß fortgesetzt wird, würde der Draht 6 infolge der auf ihn einwirkenden seitlichen Zugspannungen brechen. Weiterhin wurden die Kanten an der Schnittstelle gegenüber der Oberfläche der Quarzplatte unter einem von 90° verschiedenen Winkel orientiert sein.

Um dieses zu vermeiden, sollte der Schneidproze3 an jener Stelle angehalten werden, um es dem Schneiddraht 6 zu ermöglichen, erneut eine senkrechte Orientierung zur leitenden Schicht 2 wiederzugewinnen. Dieses wird mit Hilfe des Drahtversetzungsdetektors 15 erreicht, der auf seiner Ausgangsleitung 16 ein Blockierungssignal zum - über den Abstandsdetektor 12 erfolgenden - Anhalten des Betriebs der Versetzungssteuereinheit 4 erzeugt. Hat der Schneiddraht seine vertikale und unausgebogene Lage wieder erreicht, dann beendigt der Schneiddrahtversetzungsdetektor 15 sein Blockierungssignal auf der Leitung 16, der Abstandsdetektor 12 wird erneut mit seiner Funktion beginnen und mit Hilfe der Steuersignale auf der Ausgangsleitung 13 den Betrieb der Steuereinheit 14 befehlen.

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Der Drahtversetzungsdetektor kann auf Drahtzugspannungs-Abtastbasis aufgebaut sein oder die physikalische Drahtversetzung (direkt) feststellen. Beispielsweise kann ein solcher Versetzungsdetektor eine Vielzahl photoelektrischer Zellen aufweisen, die die Bewegung des Drahtes in jeder zur Oberflächenschicht 2 senkrecht verlaufenden Ebene feststellen. Alternativ kann der Drahtversetzungsdetektor ein Paar Drahtrollen mit einer Einrichtung zum Messen der mechanischen Spannung des Drahtes hierzwischen und zum Erzeugen eines elektrischen Signals aufweisen, sobald die am Schneiddraht herrschende Zugspannung von einem vorbestimmten Wert abweicht.

Entsprechend dem vorliegenden Verfahren kann die Quarzplatte 1 in jede gewünschte Form und Gestalt, z. B. in Rechteck-, Kreis- oder Ellipsenform oder in die sogenannte Straubel-Form geschnitten v/erden, wie diese beschrieben ist in "Piezoelectricity" von W. G. Cady, 1946, Seite 458. Zahlreiche Formen und Gestalten können je nach den von der Einheit 17 an die Versetzungssteuereinheit 4 gelieferten Eingangsdaten erhalten werden.

Wie in Fig. 2A dargestellt, ist an der Schnittstelle 19 ein lichter Abstand 20 zwischen dem Draht 6 und den Kanten der leitenden Schicht 20 vorhanden. Dieser Abstand liegt beispielsweise in der Größenordnung von 18 Mikrometer. Beispielsweise.

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hat der Kupferdraht 6 einen Durchmesser zwischen 75 und 250 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 150 und 200 Mikrometer. Die Breite der öffnung in der Quarzplatte 1 ist ungefähr gleich dem Durchmesser des Schneiddrahtes 6, d. h., sie liegt in der Größenordnung von 250 Mikrometer. Die Quarzplatte 1 ist eine dünne Platte, wie sie beispielsweise als piezoelektrischer Resonator oder piezoelektrisches Filter benutzt v/ird. Eine Platte, wie diese beispielsweise bei einem monolithischen Kristallfilter der in der US-PS 3 564 463 beschriebenen Art benutzt wird, würde eine Dicke in der Größenordnung von 200 Mikrometer haben. Jedoch können Quarzplatten mit Dicken zwischen 13 und 500 Mikrometer nach dem vorliegenden Schneidverfahren formgebend geschnitten werden.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens werden eine Vielzahl Platten 1, I₁, 1p ··· 1^ (Fig. 3) gestapelt, um mit einer einzigen Schneidoperation eine Vielzahl identisch formgebend geschnittene Platten zu erhalten. Hierbei werden zweckmäßig zwei leitende Schichten 2 und 2¹ zur Steuerung der Abstände zwischen dem Schneiddraht und den Schichten auf der Ober- und Unterseite eines solchen Stapels benutzt. Wie in Fig. 3 dargestellt, steuern Änderungen sowohl des Abstandes 1 als auch des Abstandes 2 den Abstandsdetektor 12, der seinerseits die Versetzungssteuereinheit 4 steuert.

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Bei beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird der Schneiddraht 6 in der senkrechten Richtung mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 0,5 cm pro Sekunde bewegt. Die leitenden Schichten 2 und 2' sind dünne Metallschichten, beispielsweise etwa 500 Mikrometer dicke Kupferschichten.

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Leerseite

Claims

BLUMBACH WESER · BLRCJEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2718156

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Teleton (089) 883603/88J6G4 Telex 05-212313 Telegramme Pateniconsull Patenlconsull Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561993 Telex 04-186237 Telegramme Paientcons'jll

Western Electric Company, Incorporated Reznicek 6 New York, N.Y., USA

Verfahren zum Schneiden eines nichtleitenden Körpers

Patentansprüche

1J Verfahren zum Schneiden eines Körpers aus im wesentlichen nichtleitendem Material, wobei der Körper auf einer Unterlage befestigt, ein längsverlaufendes Schneidglied gegenüber dem Körper in Stellung gebracht und die Unterlage in zum Schneidglied senkrechten Richtungen entsprechend dem jeweils gewünschten Schnittmuster bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) mit einer leitenden Schicht (2) beschichtet, ein Schneidglied (6) aus leitendem Material verwendet und elektrische Spannung (11) zwischen Schneidglied und leitende Schicht zur Erzeugung von Steuersignalen angelegt wird, die über die Grösse des Abstandes zwischen Schneidglied und leitender Schicht

München: R. Kremer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. . H.P. Brehm Dipl.-Chem. Or. phil. nat. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Oipi.-Ing. Dr. jur · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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ORIGINAL INSPECTED

Aufschluß geben, und die Steuersignale zur Steuerung der Unterlagenbewegung verwendet werden derart, daß diese verringert oder angehalten werden kann, wenn die Abstandsgröße unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Schneidglied und der leitenden Schicht definiert wird durch Einbringen einer flüssigen Lösung zwischen das Schneidglied und die leitende Schicht und daß die leitende Schicht durch Elektroerosion bearbeitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Erzeugung eines zweiten Signals, das über die am Schneidglied herrschende Zugspannung Aufschluß gibt, und Verwendung des zweiten Signals zur Steuerung der Steuersignale derart, daß die Unterlagenbewegung verringert oder angehalten werden kann, wenn die am Schneidglied herrschende Zugspannung einen vorbestimmten Wert überschreitet.

b. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bezüglich des Körpers von einer Quarzplatte ausgegangen, für das Schneidglied ein dünner Kupferdraht mit einer Vielzahl eingebetteter Diamantpartikel verwendet und der Draht zwischen Zuführ- und Aufnahmerollen bewegt wird.

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5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugspannungsfeststellung mit Hilfe eines in der Nähe der Schneidstelle angeordneten Versetzungs-Detektors und durch Abtasten der Schneidgliedabweichungen festgestellt wird, die in anderen Richtungen als der gewünschten Bewegungsrichtung auftreten.