DE10004876C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Durchtrennen von flachen Werkstücken aus Quarzkristall in flache Scheiben für Schwingquarze - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Durchtrennen von flachen Werkstücken aus Quarzkristall längs einer vorgegebenen Trennlinie zur Erzeugung von geschnittenen, kantenbearbeiteten flachen Scheiben aus Quarzkristall für Schwingquarze.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Planparallele Scheiben aus Quarzkristall mit einer Dicke von d = 0,05-2,0 mm werden in großem Umfang für die Herstellung von Schwingquarzen eingesetzt. Die Quarzkristallscheiben werden gemäß dem Stand der Technik in verschiedenen Orientierungen zur Kristallstruktur (z. B. AT-Schnitt), mittels Gattersägen hergestellt. Die Planparallelität und definierte Dicke der Quarzkristallscheiben wird durch einen anschließenden, speziellen Feinschleif- oder Läppprozeß erzielt. Die dabei erzielte Quarzkristall-Scheibendicke liegt in einem sehr engen Toleranzbereich. Entsprechend den Anforderungen, die an die Geometrie des Schwingquarzes gestellt werden, wird die runde oder (recht)eckige Außenkontur durch einen Rundschleif-(Arondieren) und/oder einen Flächenschleifprozeß erzeugt. Die Außenkonturen müssen aus Qualitätsgründen mit sehr kleinen Toleranzen gefertigt werden. Spezielle Sonderformen, wie Augen- oder Ellipsenquarze, werden mittels Ultraschallschwingläppen hergestellt. Hierbei wird mit entsprechend der Außenkontur der Schwingquarzgeometrie geformten Sonotroden der Schwingquarz aus der Quarzkristallscheibe herausgearbeitet. Vorzugsweise werden dabei mehrere Quarzkristallscheiben übereinander geschichtet und auf diese Weise mehrere Schwingquarze in einem Bearbeitungsschritt hergestellt.

Stimmgabelquarze werden abweichend zu der oben beschriebenen Herstelltechnologie in ihrer Kontur an kleinen Stegen hängend ätztechnisch hergestellt und auf automatischen Fertigungsmaschinen aus dem Wafer (Wafergröße ca. 40 × 40 mm²) gebrochen.

Nachteilig bei der mechanischen Konturbearbeitung gemäß dem Stand der Technik mittels Schleifen ist die Einbringung von Mikrorissen in die Schnittkanten der Schwingquarze, was häufig zu Ausschuß bei der Produktion in Form von Bruch oder zu Ausfall im Betrieb der Schwingquarze durch Rißbildung führt. Darüber hinaus ist beim Trennschleifen verfahrensbedingt ein Schnittspalt nicht zu vermeiden, woraus zwangsweise ein entsprechender Materialverlust resultiert. Weiterhin erfolgt die mechanische Trennbearbeitung nicht frei von äußeren Kräften, die am Werkstück (Schwingquarz) angreifen. Diese während des Trennprozesses auftretenden statischen oder auch dynamischen Kräfte führen bei Übersteigen der maximal ertragbaren Festigkeit vielfach zur Schädigung oder zum Bruch des Werkstücks. Diese beschriebenen Nachteile bei der abtragenden Konturbearbeitung von dünnen Quarzkristallscheiben könnten mit einem nichtabtragenden und frei von äußeren Kräften arbeitenden Verfahren vermieden werden.

Ein Ansatz, spröde Materialien, wie beispielsweise Glas, mit bestimmten Konturen herzustellen, besteht im Trennen auf der Basis thermisch generierter Spannungen. Hierbei wird eine Wärmequelle, die auf das Glas gerichtet ist, mit konstanter Geschwindigkeit über das Glas bewegt und so eine derart hohe thermische Spannung erzeugt, daß eine gerichtete Rißausbreitung stattfindet. Der notwendigen Eigenschaft der Wärmequelle, die thermische Energie lokal, d. h. mit einer Genauigkeit besser einen Millimeter, was den typischen Schnittgenauigkeiten entspricht, positionieren zu können, genügen Infrarotstrahler, spezielle Gasbrenner und insbesondere Laser. Laser haben sich wegen ihrer guten Fokussierbarkeit, guten Steuerbarkeit der Leistung sowie der Möglichkeit der Strahlformung und damit der Intensitätsverteilung auf Glas bewährt und durchgesetzt.

Aus der DE-AS 12 44 346 ist ein Verfahren zum Ritzen von Glas bekannt, bei dem entlang der Schnittbahn eine Erwärmung des Glases mittels eines Laserstrahls mit kreisrunder Leistungsdichteverteilung erzeugt wird, wobei eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Glases eingestellt wird. Im Anschluß an die Erwärmung wird das Glas gekühlt und durch Klopfen oder Biegen abgetrennt. Es kann auch eine Erwärmung über die Schmelztemperatur herbeigeführt werden, so daß ein feiner Spalt herausgeschmolzen wird.

In der DE 44 11 037 C2 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem in ein Hohlglas mittels eines Laserstrahls mit ebenfalls kreisrunder Leistungsdichte-Verteilung eine umlaufende Spannungszone mit einer Temperatur von 250°C eingebracht wird. Nach dem Einbringen der Spannungszone wird mit einer Anrißspitze durch kurzzeitigen Kontakt mit der Oberfläche des Hohlglases mechanisch ein kurzer Startriß eingebracht, der im wesentlichen auf die Spur der maximalen Intensität des Laserstrahls und damit der höchsten Temperatur gesetzt wird. Die Spannungszone wird mittels eines flüssigkeitsgetränkten Vlieses gekühlt, wodurch der Thermoschock und damit die Spannungen so erhöht werden, daß sich der Startriß zu einem Trennriß ausbildet.

Bei dem Verfahren nach der EP 0 062 484 wird ebenfalls ein Laserstrahl im bekannten Ringmodus TEM 00* oder TEM 01* benutzt, der punktförmig auf das Werkstück fokussiert wird.

Dadurch, daß bei diesem Verfahren der Laserstrahl auf der Oberfläche des Werkstückes fokussiert wird, verdampft das Glas bis zu einer bestimmten Tiefe. Das restliche Glas im Trennbereich wird über den Schmelzpunkt hinaus erhitzt. Mittels eines Gases wird das verdampfte Glasmaterial entfernt.

Das aus der WO 93/20015 bekannte Verfahren nutzt einen Laserstrahl mit elliptischer Form. Dieses Verfahren zeigt zwar gute Ergebnisse beim gradlinigen Ritzen von nichtmetallischem Plattenmaterial, kann jedoch kein hochwertiges und hochpräzises Ritzen entlang einer gekrümmten Kontur sichern. Zudem weist das genannte Verfahren eine geringe Stabilität des Schneidablaufs bei einer hohen Strahlungsdichte und hohen Schnittgeschwindigkeiten auf. Dies hängt damit zusammen, daß die Erhitzung mit einem Laserbündel mit elliptischem Querschnitt und der Gaußschen Verteilung der Strahlungsdichte in einem sehr engen Bereich erfolgt, wobei sich die Temperatur von der Peripherie zum Zentrum gravierend erhöht. Es ist extrem kompliziert, ein stabiles Thermospalten bei hoher Geschwindigkeit, hoher Ritztiefe und dennoch auch eine stabile Leistungsdichte zu erzielen, wenn die Erhitzung des Werkstoffes häufig mit dessen Überhitzung im zentralen Bereich des Bestrahlungsbereiches einhergeht, d. h. die Aufweichtemperatur des Materials überschritten wird, obwohl dies bei hochwertigem Schneiden unzulässig ist.

Die WO 96/20062 beschreibt ein Verfahren zum Durchtrennen von flachen Werkstücken aus sprödem Material, insbesondere aus Glas, das längs einer vorgegebenen Trennlinie mit einem zu ihr symmetrischen Wärmestrahlungsfleck, der eine erhöhte Strahlungsintensität in seinem Randbereich mit einem Temperaturmaximum an seinem hinteren Ende besitzt, erwärmt wird, wobei der Wärmestrahlungsfleck längs der Trennlinie und/oder das Werkstück bewegt wird, und bei dem der erwärmte Trennlinienabschnitt anschließend gekühlt wird. Im bekannten Fall ist ein ovaler oder elliptischer Wärmestrahlungsfleck vorgesehen, mit einem Strahlungsintensitätsminimum innerhalb des Ovals. Ein solcher "Brennfleck" schneidet die Trennlinie zweimal, nämlich am vorderen und am hinteren Ende des Ovals. Dadurch ergibt sich mit Nachteil eine ungünstige Temperaturverteilung. Durch den vorlaufenden Schnittpunkt findet bereits im vorderen Bereich des elliptischen Brennflecks in Schneidrichtung gesehen im Bereich der Trennlinie eine unnötige Aufheizung statt. Hierdurch findet in der Mitte des Brennfleckes, d. h. auf der Trennlinie, eine unnötig große Aufheizung statt, so daß am Ende des Brennfleckes, wo die Strahlungsintensität wiederum im Bereich der Trennlinie sehr groß wird, ein so großes Temperaturmaximum erreicht wird, daß das Glas unter Umständen schon aufschmelzen kann.

Mit diesem Verfahren können ferner nur Gläser mit einer Stärke bis typischerweise 0,2 Millimeter durchtrennt werden, weil bei höheren notwendigen Strahlleistungen ansonsten ein Aufschmilzen stattfindet und der Riß unterbricht. Bei größeren Glasdicken findet nur ein Ritzen des Glases statt.

Die Anwendung dieser Verfahren zum Trennen von kristallinem Quarzscheiben zum Herstellen (Konturbearbeiten) von Schwingquarzen, durch gezielte thermisch induzierte Rißeinleitung und -fortpflanzung in entsprechenden flächigen, dünnen Werkstücken aus Quarzkristall wurde von der Fachwelt als nicht machbar angesehen. Einerseits ist aufgrund des anisotropen Materialaufbaus des Quarzkristalls keine kontrollierte Rißausbreitung zu erwarten und andererseits besteht die Gefahr einer unerwünschten Materialschädigung oder -veränderung durch zu hohe Werkstücktemperaturen während des Trennprozesses. Aufgrund der vergleichsweise großen Laserstrahlquerschnitte an der Werkstückoberfläche und den dabei zur Anwendung kommenden Laserstrahlintensitätsverteilungen kommt es bei diesen Trennverfahren zu einem Wärmestau im Bereich der laserbestrahlten Stelle und damit zu unzulässig hohen Temperaturen an der Oberfläche des Quarzkristalls. Obwohl speziell in der WO 96/20062 mit einer Laserstrahlintensitätsverteilung gearbeitet wird, bei der die Intensitätsverteilung in einem Schnitt durch das Zentrum des Laserstrahls vom Rand zum Zentrum hin abfällt, findet auch hier im vorderen Bereich eine unnötige Aufheizung statt und es besteht die Gefahr der Materialüberhitzung. Derartige lokale Überhitzungen können unter Umständen zu einem lokalen Erweichen bzw. Aufschmelzen des Quarzkristalls führen, was unbedingt zu vermeiden ist. Auf jeden Fall aber ist eine unerwünschte Veränderung der Kristallstruktur von der α-Modifikation hin zur β-Modifikation bereits im festen Zustand zu erwarten, die jedoch im Falle der Anwendung der Quarzkristallscheiben für Schwingquarze unbedingt zu vermeiden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs bezeichnete Verfahren so zu führen bzw. die eingangs bezeichnete Vorrichtung so auszubilden, daß durch Trennen eines flachen Werkstückes aus Quarzkristall mittels eines thermisch induzierten mechanischen Spannungsfeldes flache Quarzkristallkörper mit vorgegebener Kontur schädigungsfrei mit mikrorißfreien Schnittkanten herstellbar sind, die als Schwingquarze Verwendung finden können.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt hinsichtlich des Verfahrens zum Durchtrennen von flachen Werkstücken aus Quarzkristall längs einer vorgegebenen Trennlinie zur Erzeugung von geschnittenen, kantenbearbeiteten flachen Scheiben aus Quarzkristall für Schwingquarze, mit den Schritten:

• - Erzeugen eines Wärmestrahlungsfleckes auf der Werkstückoberfläche aus Quarzkristall in Bezug auf die Trennlinie durch ein Wärmestrahlungsbündel aus einer Strahlungsquelle derart, daß das Temperaturmaximum auf der Trennlinie und unterhalb der Umwandlungstemperatur des Quarzkristalles liegt,
• - Bewegen des Wärmestrahlungsfleckes relativ zum Werkstück aus Quarzkristall entlang der Trennlinie mit Induzierung einer thermomechanischen Spannung im Quarzkristall,
• - Kühlen des durch den Wärmestrahlungsfleck erwärmten Trennlinienabschnittes zur Verstärkung des thermisch induzierten Spannungsfeldes, und
• - Einstellen der Wärmezufuhr zur Trennlinie durch die Einstellung der Geometrie der Leistungsdichteverteilung im Wärmestrahlungsfleck und/oder durch die Steuerung der Strahlungsleistung der Wärmestrahlungsquelle derart, daß die maximal auftretende Temperaturbelastung des Quarzkristalles im Bereich der Trennlinie auf ein Minimum reduziert wird.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann mit Vorteil in Abhängigkeit von dem zu trennenden kristallinen Quarzkristallwerkstoff und der Scheibendicke die Überhitzung des Werkstoffs vermieden werden und der Quarzkristall-Werkstoff weitestgehend schädigungsfrei getrennt werden. Versuche an d = 0,45 mm dicken Quarzkristallscheiben haben gezeigt, daß es bei Anwendung des erfindungsgemäßen Trennverfahrens zu rißfreien und ausreichend glatten Schnittkanten ohne sich nachteilig auswirkende Veränderungen der Kristallstruktur direkt an der Schnittkante kommt.

Wider Erwarten ist daher durch die Erfindung eine Möglichkeit geschaffen worden, um mikrorißfreie Schnittkanten an Quarzkristallen durch Trennen mittels eines thermisch induzierten mechanischen Spannungsfelds zu erhalten.

Nun wird zwar in der DE 43 05 107 A1 beschrieben, daß sich das Prinzip des Laserstrahlschneidens nicht nur zum Schneiden von Glas anwenden läßt, sondern generell zum Schneiden von spröden Materialien, die sich durch thermische Spannungen brechen lassen, wobei als weitere Beispiele neben dem Glas auf "Keramik, Steine und Kristalle" hingewiesen wird. Dennoch konnte dieser Hinweis den Fachmann nicht dazu anregen, das bekannte Laserstrahlschneiden auch für die Trennung von Quarzkristallen einzusetzen, beispielsweise durch einfaches Probieren. Dies würde voraussetzen, daß für den Fachmann ein Anlaß zum Probieren bestand bzw. daß er sich von dem Probieren prinzipiell einen Erfolg verspricht. Diese Perspektive war jedoch im vorliegenden Fall nicht gegeben, da der Fachmann prinzipiell eine "schlagartige und unkontrollierte Materialtrennung" bzw. eine unerwünschte Veränderung der Kristallstruktur zu erwarten hatte, die ihn von entsprechenden Versuchen bei der Einstellung der Laserstrahlintensität, um zu einer gezielten, d. h. gerichteten und auch kontrollierten Trennung des Quarzkristalls zu kommen, geradezu abhielt.

Vorteilhaft wird das Verfahren so durchgeführt, daß das Erzeugen des Wärmestrahlungsfleckes auf der Werkstückoberfläche aus Quarzkristall symmetrisch zur Trennlinie durch eine schnelle örtliche und zeitliche Steuerung eines fokussierten Wärmestrahlungsbündels erfolgt, derart, daß sein Bereich mit erhöhter Strahlungsintensität auf einer V oder U-förmigen Kurve liegt, die sich zum vorderen Ende des Wärmestrahlungsflecks öffnet, und bei dem das Temperaturmaximum örtlich im Scheitelpunkt der V oder U-förmigen Kurve auf der Trennlinie und unterhalb der Schmelztemperatur des Quarzkristall liegt, und daß das Kühlen des durch den Wärmestrahlungsfleck erwärmten Trennlinienabschnittes zur Verstärkung des thermisch induzierten Spannungsfeldes durch einen den Wärmestrahlungsfleck nachlaufenden Kühlspot erfolgt.

Eine schnelle örtliche und zeitliche Steuerung der fokussierten Wärmestrahlungsbündels erfolgt mit Vorteil gemäß einer Weiterbildung der Erfindung durch ein Führen des Wärmestrahlungsbündels in zwei Dimensionen ausgerichtet an der Schneidlinie der vorgegebenen Kontur durch Scannen unter Erzeugung eines langgestreckten Wärmestrahlungsfleckes entlang der Richtung der Schneidlinie. Dabei wird das Wärmestrahlungsbündel vorzugsweise durch einen Laserstrahl gebildet.

In diesem Fall wird auf der Quarzkristall-Werkstückoberfläche eine V oder U-förmige Leistungsdichteverteilung durch eine geeignete schnelle örtliche und zeitliche Steuerung, d. h. Scannen eines fokussierten Laserstrahls erzeugt. Hierbei kann die Geometrie der V oder U-förmigen Leistungsdichteverteilung wie auch die eingestrahlte Laserleistung in einem weiten Bereich so eingestellt werden, daß die maximal auftretende Temperaturbelastung des Quarzkristall-Werkstücks durch geeignete Steuerung der Wärmezufuhr auf ein Minimum reduziert wird.

Das Verfahren kann dabei gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung auch in der Weise durchgeführt werden, daß das Scannen des Laserstrahls in Form einer Ellipse erfolgt, wobei der Laser zur Erzeugung einer V oder U-förmigen Kurve abwechselnd ein- und ausgeschaltet oder der Strahl ein- und ausgeblendet wird.

Der Wärmestrahlungsfleck muß nicht zwingend eine strenge U- bzw. V Form haben. Er kann auch so gestaltet werden, daß sein Randbereich mit erhöhter Strahlungsintensität auf einer parabelförmigen Kurve liegt. Auch können bei einer V- förmigen Kurve beide Schenkel unter Bildung einer X-förmigen Struktur verlängert sein.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Führen des Verfahrens durch ein Anpassen des Profils des Wärmestrahlungsbündels bei Kurvenschnitten an die Kurvenform der Trennlinie. Durch diese Vorgehensweise kann die im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahlung und Quarzkristall-Werkstückoberfläche durch Absorption eingekoppelte Leistungsdichteverteilung derart gesteuert werden, daß sie der zu erzeugenden Schnittkontur angepaßt werden kann. Auf diese Weise ist es auch möglich, Konturschnitte mit einem stetigen Konturverlauf durchzuführen. Dabei entsprechen die kleinsten, herzustellenden Radien ungefähr der zu trennenden Werkstückdicke (r_min ≈ 1d). Auf diese Weise ist es möglich, größere Scheiben aus Quarzkristall zu zerteilen oder aber direkt konturierte Schwingquarze herauszutrennen. Wesentlicher Vorteil bei der Anwendung des Verfahrens ist, daß kein Schnittverlust entsteht und die erzeugte Schnittkante keine Mikrorisse oder andere Schädigungen, wie Ausmuschelungen, aufweist. Darüber hinaus treten keine, die Funktion des Schwingquarzes beeinträchtigenden Veränderungen oder Schädigungen des Kristallgefüges auf.

Vorrichtungsmäßig gelingt die Lösung der gestellten Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit

• - einer optischen Einrichtung, die eine Wärmestrahlungsquelle, insbesondere einen Laser, und mindestens eine optische Komponente umfaßt zur Erzeugung eines Wärmestrahlungsfleckes in Bezug auf die Trennlinie, derart, daß das Temperaturmaximum auf der Trennlinie und unterhalb der Umwandlungstemperatur des Quarzkristalles liegt,
• - einer Einrichtung zum Bewegen des Wärmestrahlungsflecks längs der Trennlinie relativ zum Werkstück aus Quarzkristall,
• - einer Kühleinrichtung zum Kühlen des bestrahlten Trennlinienabschnitts, und
• - einer Einrichtung zum Einstellen der Wärmezufuhr zur Trennlinie durch die Einstellung der Geometrie der Leistungsdichteverteilung im Wärmestrahlungsfleck und/oder durch die Steuerung der Strahlungsleistung der Wärmestrahlungsquelle, derart, daß die maximal auftretende Temperaturbelastung des Quarzkristalles im Bereich der Trennlinie auf ein Minimum reduziert wird.

Mittels dieser Vorrichtung wird das zuvor beschriebene Verfahren durchgeführt unter Erzielung der beschriebenen vorteilhaften Wirkungen hinsichtlich der Trennung von Werkstücken aus Quarzkristall.

Besondere Vorteile werden dabei durch eine Vorrichtung erzielt, bei der die optische Einrichtung zur Erzeugung eines zur Trennlinie symmetrischen Wärmestrahlungsfleckes durch eine schnelle zeitliche und örtliche Steuerung des aus der Wärmestrahlungsquelle austretenden Wärmestrahlungsbündel ausgebildet ist, daß der Randbereich des Wärmestrahlungsfleckes mit erhöhter Strahlungsintensität auf einer V oder U-förmigen Kurve liegt, die sich zum vorderen Ende des Wärmestrahlungsfleckes öffnet, wobei das Temperaturmaximum örtlich im Scheitelpunkt der V oder U-förmigen Kurve auf der Trennlinie liegt, und die Kühleinrichtung zum Kühlen des bestrahlten Trennlinienabschnitts so ausgebildet ist, daß sie einen, den Wärmestrahlungsfleck nachlaufenden Kühlspot erzeugt.

Gemäß einer ersten Ausführungsform wird dabei vorzugsweise zum Führen eines Laserstrahles eine Scannereinrichtung verwendet. Dementsprechend weist die optische Einrichtung zwei senkrecht zueinander angeordnete, oszillierende, synchronisierte Spiegel auf, die einen Laserstrahl auf die Oberfläche des Werkstücks derart lenken, daß er dort die V oder U-förmige Kurve beschreibt.

Um die Synchronisation der beiden Spiegel zu realisieren, sind die Antriebseinrichtungen der beiden oszillierenden Spiegel an eine gemeinsame Steuereinrichtung angeschlossen. Vorzugsweise liegt die Oszillatorfrequenz der beiden Spiegel bei 500 bis 2000 Hz, so daß eine Schneidgeschwindigkeit von 50 mm/sec bis 1000 mm/sec erreicht werden kann, was von der eingesetzten Strahlungsintensität abhängt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform einer Scannereinrichtung weist die optische Einrichtung ein Spiegelrad auf, dessen Oberfläche derart gekrümmt ist, daß ein darauf reflektierter Laserstrahl während einer Rotation des Spiegelrades mindestens einmal die U- oder V förmige Kurve auf der Oberfläche des zu duchtrennenden Werkstückes beschreibt.

Die Rotationsfrequenz des Spiegelrades liegt bei 500 bis 3000 Hz, so daß die genannten Vorschubgeschwindigkeiten erreicht werden können.

Vorzugsweise wird ein Laser mit einer Wellenlänge eingesetzt, die in dem Quarzkristall-Material die notwendige Absorption erfährt. Beispielsweise wird ein Laser verwendet, der mit einer Wellenlänge von 10,6 µm ausgestattet ist und kommerziell günstig zu erhalten ist. Die maximale Ausgangsleistung des Lasers beträgt typischerweise 100 Watt.

Die Intensität des Lasers ist vorzugsweise während jedes Durchlaufs der V oder U- förmigen Kurve veränderbar, so daß im Bereich des Scheitelpunktes der V oder U- förmigen Kurve die Strahlungsintensität variiert werden kann. Die Strahlungsintensität wird so eingestellt, daß eine nachteilige Überhitzung des Quarzkristall vermieden wird.

Vorzugsweise erfolgt eine Steuerung der Scannerbewegung in der Weise, daß sie den Scanner bei Kreisschnitten und Freiformschnitten so steuert, daß eine der Kurvenbahn angepaßte, gekrümmte V oder U-förmige Intensitätsverteilung entsteht.

Das vorstehend beschriebene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung sind zum Trennen von flachen Werkstücken aus sprödbrüchigem Material, insbesondere Glas, generell durch die EP 0 872 303 A2 bekannt geworden. Der Inhalt dieser Schrift wird durch Bezugnahme mit zum Offenbarungsinhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.

Alternativ dazu kann das Verfahren auch nach einer Weiterbildung der Erfindung so durchgeführt werden, daß das Erzeugen des Wärmestrahlungsfleckes auf der Werkstückoberfläche derart erfolgt, daß der auf die Trennlinie einwirkende Querschnitt des Wärmestrahlungsbündels eine kreisrunde Form einnimmt, und daß das Kühlen des erwärmten Trennlinienabschnittes durch Aufblasen eines fluiden Kühlmediums konzentrisch zum kreisrunden Brennfleck an dessen Außenrand erfolgt.

Durch diese Maßnahmen ist es auf einfache Weise möglich, Werkstückteile mit jeder beliebigen Geometrie aus dem Quarzkristall-Material durch ein einfaches Nachfahren entlang der Schneidkontur herauszuschneiden.

Wegen des starken lokalen Temperaturmaximus auf der Trennlinie und der unmittelbar benachbarten konzentrischen Kühlung folgt dabei der Schnitt sehr präzise jeder Freiform. Dabei werden saubere Trennkanten erzielt, die weder Mikrorisse noch Ausmuschelungen enthalten.

Vorzugsweise wird bei diesem Verfahren ein Laserstrahl eingesetzt.

Bei den benötigten hohen Laserleistungen ist zu beachten, daß der Laserstrahl das Quarzkristall-Material nicht zum Aufschmelzen bringt. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird daher der Laserstrahl so geformt, daß der Strahlquerschnitt im Brennfleck eine geschlossene, aber erweiterte Kreisfläche bildet, dessen Intensität deutlich unterhalb derjenigen des stark fokussierten Laserspots liegt.

Eine weitere Möglichkeit, die punktuelle Intensität zu verringern, besteht darin, den Laserstrahl gemäß einer anderen Weiterbildung so zu formen, daß der Strahlquerschnitt im Brennfleck einen Kreisring bildet.

Diese Strahlquerschnitte werden vorzugsweise durch eine Scannereinrichtung erzeugt. Auch ist der Einsatz von Lasern mit einem entsprechendem TEM 00*- oder TEM 01*-Mode möglich, bei denen der Strahl nicht mit nachgeschalteten optischen Mitteln, sondern bereits im Laser durch einen entsprechenden Resonatoraufbau geformt wird.

Vorzugsweise ist der Laser ein CO₂-Laser, dessen Wellenlänge dem spektraken Absorptionsmaximum des zu schneidenden Werkstoffes Quarzkristall entspricht. Dieser CO₂-Laser emittiert Licht im fernen infraroten Bereich bei einer Wellenlänge von 10,6 µm. Diese Wärmestrahlung zeigt erhebliche Besonderheiten bei der Wirkung auf Materie. So wird sie von den meisten, im sichtbaren Licht transparenten Materialien stark absorbiert.

Für das Aufblasen des fluiden Kühlmediums konzentrisch zum kreisrunden Brennfleck wird vorzugsweise gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung eine Ringdüse mit von oben nach unten konisch zulaufender Anströmung verwendet. Dadurch besteht auf einfache Weise die Möglichkeit, über den Abstand - Düse zu Werkstück - die Strömung des fluiden Kühlmediums exakt konzentrisch benachbart zum Brennfleck einzustellen, um eine hohe thermomechanische Spannung zu erzeugen. Unter einem fluiden Kühlmedium sollen sowohl Flüssigkeiten als auch Gase bzw. Gemische von beiden verstanden werden.

Zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet, mit

• - einer Laserstrahlquelle zur Erzeugung eines hochenergetischen Laserstrahles und optischen Mitteln zum Führen des Laserstrahles fokussiert auf die Trennlinie ohne Aufschmelzen des Werkstoffes Quarzkristall,
• - einer Antriebsanordnung zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem fokussierten Laserstrahl und dem Werkstück Quarzkristall unter Bewegen des Laserstrahles entlang der vorgegebenen Trennlinie ohne Schnittfuge unter Induzierung einer thermomechanischen Spannung,
• - Mitteln zum Formen des Laserstrahles derart, daß der auf die Oberfläche des Werkstückes Quarzkristall schnittfugenlos als Brennfleck einwirkende Strahlquerschnitt eine kreisrunde Form annimmt, und Mitteln zum Aufblasen eines fluiden Kühlmediums konzentrisch zum kreisrunden Querschnitt des Brennfleckes an dessen Außenrand unter Erhöhung der thermomechanischen Spannung.

Dabei sind vorzugsweise die Mittel zum Formen des Laserstrahles so ausgebildet, daß der Strahlquerschnitt im Brennfleck eine geschlossene Kreisfläche bildet, dessen Intensität deutlich unterhalb derjenigen des stark fokussierten Laserspots liegt.

Alternativ dazu können die Mittel zum Formen des Laserstrahles so ausgebildet sein, daß der Strahlquerschnitt im Brennfleck einen Kreisring bildet.

In beiden Fällen werden die Mittel zur Strahlformung zweckmäßig durch eine Scannereinrichtung mit zwei senkrecht zueinander schwingenden Spiegeln gebildet.

Alternativ dazu können die Mittel zur Strahlformung auch durch einen speziellen Resonatoraufbau der Laserstrahlquelle gebildet sein, wobei für den Fall eines kreisflächigen Brennfleckes eine Laserstrahlquelle mit einem TEM 00*-Mode und für den Fall eines kreisringförmigen Brennfleckes eine Laserstrahlquelle mit einem TEM 01*-Mode vorgesehen ist.

Vorzugsweise ist im Laserstrahl im Bereich der Werkstückoberfläche eine Ringdüse mit einer zentrischen Bohrung für den Laserstrahl vorgesehen, deren Ringraum mit einer Quelle eines fluiden Kühlmediums strömungsmäßig verbunden ist. Dabei ist zweckmäßig der Ringraum konisch zur Werkstückoberfläche hin zulaufend ausgebildet.

Das vorstehend beschriebene Alternativverfahren und die zugehörige Vorrichtung sind zum Trennen von Glas in der älteren Patentanmeldung 198 30 237.1-45 beschrieben, deren Inhalt mit zum Offenbarungsinhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

Claims (21)

1. Verfahren zum Durchtrennen von flachen Werkstücken aus Quarzkristall längs einer vorgegebenen Trennlinie zur Erzeugung von geschnittenen, kantenbearbeiteten flachen Scheiben aus Quarzkristall für Schwingquarze, mit den Schritten:

• - Erzeugen eines Wärmestrahlungsfleckes auf der Werkstückoberfläche aus Quarzkristall in Bezug auf die Trennlinie durch ein Wärmestrahlungsbündel aus einer Strahlungsquelle derart, daß das Temperaturmaximum auf der Trennlinie und unterhalb der Umwandlungstemperatur des Quarzkristall liegt,
• - Bewegen des Wärmestrahlungsfleckes relativ zum Werkstück aus Quarzkristall entlang der Trennlinie mit Induzierung einer thermomechanischen Spannung im Quarzkristall,
• - Kühlen des durch den Wärmestrahlungsfleck erwärmten Trennlinienabschnittes zur Verstärkung des thermisch induzierten Spannungsfeldes, und
• - Einstellen der Wärmezufuhr zur Trennlinie durch die Einstellung der Geometrie der Leistungsdichteverteilung im Wärmestrahlungsfleck und/oder durch die Steuerung der Strahlungsleistung der Wärmestrahlungsquelle derart, daß die maximal auftretende Temperaturbelastung des Quarzkristall im Bereich der Trennlinie auf ein Minimum reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen des Wärmestrahlungsfleckes auf der Werkstückoberfläche aus Quarzkristall symmetrisch zur Trennlinie durch eine schnelle örtliche und zeitliche Steuerung eines fokussierten Wärmestrahlungsbündels erfolgt, derart, daß sein Bereich mit erhöhter Strahlungsintensität auf einer V oder U-förmigen Kurve liegt, die sich zum vorderen Ende des Wärmestrahlungsflecks öffnet, und bei dem das Temperaturmaximum örtlich im Scheitelpunkt der V oder U- förmigen Kurve auf der Trennlinie und unterhalb der Schmelztemperatur des Quarzkristall liegt, und daß das Kühlen des durch den Wärmestrahlungsfleck erwärmten Trennlinienabschnittes zur Verstärkung des thermisch induzierten Spannungsfeldes durch einen den Wärmestrahlungsfleck nachlaufenden Kühlspot erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Führen des Wärmestrahlungsbündels in zwei Dimensionen ausgerichtet an der Schneidlinie der vorgegebenen Kontur durch Scannen unter Erzeugung eines langgestreckten Wärmestrahlungsfleckes entlang der Richtung der Trennlinie.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrahlungsfleck durch Scannen eines Laserstrahls erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch ein Anpassen des Profils des Wärmestrahlungsbündels bei Kurvenschnitten an die Kurvenform der Trennlinie.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Erzeugung von geschnittenen, kantenbearbeiteten flachen Scheiben aus Quarzkristall für Schwingquarze, mit:

• - einer optischen Einrichtung, die eine Wärmestrahlungsquelle, insbesondere einen Laser, und mindestens eine optische Komponente umfaßt zur Erzeugung eines Wärmestrahlungsfleckes in Bezug auf die Trennlinie, derart, daß das Temperaturmaximum auf der Trennlinie und unterhalb der Umwandlungstemperatur des Quarzkristall liegt,
• - einer Einrichtung zum Bewegen des Wärmestrahlungsflecks längs der Trennlinie relativ zum Werkstück aus Quarzkristall,
• - einer Kühleinrichtung zum Kühlen des bestrahlten Trennlinienabschnitts, und
• - einer Einrichtung zum Einstellen der Wärmezufuhr zur Trennlinie durch die Einstellung der Leistungsdichteverteilung im Wärmestrahlungsfleck und/oder durch die Steuerung der Strahlungsleistung der Wärmestrahlungsquelle, derart, daß die maximal auftretende Temperaturbelastung des Quarzkristall im Bereich der Trennlinie auf ein Minimum reduziert wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Durchführung der Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung zur Erzeugung eines zur Trennlinie symmetrischen Wärmestrahlungsfleck durch eine schnelle zeitliche und örtliche Steuerung des aus der Wärmestrahlungsquelle austretenden Wärmestrahlungsbündels ausgebildet ist, derart, daß der Randbereich des Wärmestrahlungsfleckes mit erhöhter Strahlungsintensität auf einer V oder U-förmigen Kurve liegt, die sich zum vorderen Ende des Wärmestrahlungsflecks öffnet, wobei das Temperaturmaximum örtlich im Scheitelpunkt der V oder U-förmigen Kurve auf der Trennlinie liegt, und die Kühleinrichtung zum Kühlen des bestrahlten Trennlinienabschnitts so ausgebildet ist, daß sie einen den Wärmestrahlungsfleck nachlaufenden Kühlspot erzeugt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung zwei senkrecht zueinander angeordnete vermittels Antriebseinrichtungen oszillierende, synchronisierte Spiegel aufweist, die einen Laserstrahl auf die Oberfläche des Werkstücks aus Quarzkristall derart lenken, daß er dort die V oder U-förmige Kurve beschreibt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtungen der beiden oszillierenden Spiegel an eine gemeinsame Steuer- und Regeleinrichtung angeschlossen sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch Steuerungsmittel zum Anpassen des Profils des Wärmestrahlungsbündels bei Kurvenschnitten an die Kurvenform der Trennlinie.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Oszillierbewegung der Spiegel mit einer Bahnsteuerung mittels einer übergeordneten Steuerstufe gekoppelt ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen des Wärmestrahlungsfleckes auf der Werkstückoberfläche derart erfolgt, daß der auf die Trennlinie einwirkende Querschnitt des Wärmestrahlungsbündels eine kreisrunde Form einnimmt, und daß das Kühlen des erwärmten Trennilinienabschnittes durch Aufblasen eines fluiden Kühlmediums konzentrisch zum kreisrunden Brennfleck an dessen Außenrand erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlquerschnitt im Brennfleck eine geschlossene Kreisfläche bildet, dessen Intensität deutlich unterhalb derjenigen eines stark fokussierten Wärmestrahlungsspots liegt.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlquerschnitt im Brennfleck einen Kreisring bildet.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmestrahl der Strahl eines Lasers, vorzugsweise eines CO₂-Lasers eingesetzt wird, dessen Wellenlänge dem spektralen Absorptionsmaximum des zu schneidenden Werkstoffes entspricht.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das fluide Kühlmedium kegelförmig von oben nach unten auf das Werkstück aufgeblasen wird.

17. Vorrichtung zum Durchführen der Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, mit:
einer Laserstrahlquelle zur Erzeugung eines hochenergetischen Laserstrahles und optischen Mitteln zum Führen des Laserstrahles fokussiert auf die Trennlinie ohne Aufschmelzen des Werkstoffes Quarzkristall,
einer Antriebsanordnung zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem fokussierten Laserstrahl und dem Werkstück Quarzkristall unter Bewegen des Laserstrahles entlang der vorgegebenen Trennlinie ohne Schnittfuge unter Induzierung einer thermomechanischen Spannung,
Mitteln zum Formen des Laserstrahles derart, daß der auf die Oberfläche des Werkstückes Quarzkristall schnittfugenlos als Brennfleck einwirkende Strahlquerschnitt eine kreisrunde Form annimmt, und
Mitteln zum Aufblasen eines fluiden Kühlmediums konzentrisch zum kreisrunden Querschnitt des Brennfleckes an dessen Außenrand unter Erhöhung der thermomechanischen Spannung.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Strahlformung durch eine Scannereinrichtung mit zwei senkrecht zueinander schwingenden Spiegeln gebildet sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Strahlformung durch einen speziellen Resonatoraufbau der Laserstrahlquelle gebildet sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß im Laserstrahl im Bereich der Werkstückoberfläche eine Ringdüse mit einer zentrischen Bohrung für den Laserstrahl vorgesehen ist, deren Ringraum mit einer Quelle eines fluiden Kühlmediums strömungsmäßig verbunden ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum konisch zur Werkstückoberfläche hin zulaufend ausgebildet ist.