DE3425718C2

DE3425718C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines elektrischen Widerstandes

Info

Publication number: DE3425718C2
Application number: DE3425718A
Authority: DE
Inventors: Herman R Person; Douglas E Johnson
Original assignee: Dale Electronics Inc
Current assignee: Dale Electronics Inc
Priority date: 1984-07-03
Filing date: 1984-07-12
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2004-07-13
Also published as: GB2161327A; FR2567311A1; GB8416881D0; FR2567311B1; DE3425718A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 3.

Es ist bekannt, einen elektrischen Widerstand aus einer Me tallplatte meanderförmiger Form zu fertigen, die durch seitliche, von außen nach innen verlaufende Schlitze gebildet ist, siehe z. B. US-PS 2 457 616 und US-PS 4 345 235. Aus der letztgenannten Druckschrift ist auch ein Computersteuerungssystem zur Fertigung der Schlitze bekannt.

Es war früher üblich, die Schlitze durch einen konventio nellen Schneidvorgang, wie z. B. Stanzen oder Scheren, zu fertigen. In der US-PS 4 345 235 wird mittels eines Laserstrahls geschnitten, wobei ein Rechner die Schnittlage ermittelt.

In der DE-PS 609 567 ist ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Widerstandes in Form einer meanderförmigen Me tallplatte beschrieben, bei dem die Schlitze unter Wirkung von Hitzestrahlen durch Verdampfen oder Verbrennen des Me talls eingearbeitet werden. Hierzu dient eine optische Ein richtung, mit der die Hitzestrahlen an der zu verdampfenden oder zu verbrennenden Stelle konzentriert werden.

In der modernen Herstellungstechnik ist es auch bereits be kannt, die Schlitze, bei denen es sich sowohl um gerade Schlitze als auch um winkelförmige Schlitze handeln kann, durch einen Laserstrahl in die Metallplatte einzuschneiden, siehe
DE-Z: "Elektronik" 10/1991, S. 43 bis 52,
DE-Z: "Elektronik-Industrie" 1/2-1974, S. 14 und 15,
DE-Z: "radiomentor electronic", Jahrgang 39/1973, S. 151 und
DE-Z: "Funk-Technik", 1974, Nr. 14, S. 501 bis 504,
wobei aus der zuletzt angeführten Druckschrift der Wider stand in Schichtbauweise hergestellt ist.

In den Druckschriften
DE-Z: "Elektronik-Industrie" 1/2-1974, S. 14 und 15 und
DE-Z: "Funk-Technik", 1974, Nr. 14, S. 501 bis 504
sind außerdem Vorrichtungen zum Schneiden der Schlitze mit einem Laserstrahl beschrieben, bei denen während des Schneidens der Schlitze der elektrische Widerstand der Me tallplatte fortlaufend mittels einer Meßeinrichtung gemessen und mit einem Sollwert verglichen wird. Wenn der Sollwert erreicht wird, wird der Vorschub des durch eine Koordinaten- Steuereinrichtung verfahrbaren Laserstrahls automatisch gestoppt.

In der Firmen-Druckschrift "Laser-Trimmen" der Fa. Laser Optronic/Coherent Inc. Palo Alto ist es u. a. bekannt, Koordinaten-Steuereinrichtungen zum Bewegen eines Trägers mit X-Y-Kordinatenachsen zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art so weiterzu bilden, daß bei Gewährleistung einer rationellen Fertigung beständige elektrische Kennwerte der Metallplatte erreicht werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder 3 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Metall der Me tallplatte beim Schneiden mit dem Laserstrahl zum Glühen gebracht, wodurch stabile und konstante elektrische Kenn werte der Metallplatte erreicht werden. Im Gegensatz zu Schneidverfahren, wie Stanzen, Sägen und Schleifen oder dgl., bei denen Druckbeanspruchungen in das Widerstandsma terial eingeleitet werden, die den Widerstandswert und die Stabilität des Widerstandes mit der Zeit verändern lassen, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren ein schnelles, kostengünstiges und materialschonendes Schneiden der Schlitze. Dies führt zu einem Widerstand, der im wesentlichen über längere Benutzungszeiträume bezüglich seiner Kennwerte stabil und dauerhaft ist. Dies ist darauf zurück zuführen, daß das Metall während des Schneidverfahrens zum Glühen gebracht wird und außerdem der Laserstrahl einen glatten und sauberen Schnitt ermöglicht.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann eine rechteckig ge formte flache Platte mit gegenüberliegenden Enden und ge genüberliegenden Seitenkanten benutzt werden. Die Platte kann aus einer Nickel-Aluminium-Legierung bestehen, und sie weist vorzugsweise eine Dicke von 0,025 bis 1,25 mm auf. Die elektrischen Anschlußdrähte können an den gegen überliegenden Enden der rechteckförmigen Platte mittels Punktschweißen oder in andere Art und Weise befestigt sein.

Es können eine einzige Materialart für den Widerstand und eine einzige Herstellungsanlage verwendet werden, um den Widerstand mit weit variierbaren Wider standswertbereichen zu produzieren.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch eine einfache Bauweise und durch eine hohe Funktionssicherheit aus, wobei sich eine automatische Produktionsanlage ver wirklichen läßt, die vollständig computergesteuert ist und einen in einer Reihe liegenden kontinuierlichen Herstel lungsprozeß auf kostengünstige Weise ermöglicht. Sowohl mit dem erfindungsgemäßen Verfahren als auch mit der erfin dungsgemäßen Vorrichtung läßt sich der Widerstand mit sehr engen Toleranzen in einfacher Weise herstellen.

Eine Produktionsanlage zur Herstellung von Widerständen kann voll automatisiert und vollständig über einen Rechner gesteuert werden. Das einzubauende Wi derstandsmaterial kann in langen kontinuierlichen Rollen besorgt werden, das automatisch der Betriebsanlage gemein sam mit Kupferdraht für die Drähte zugeführt werden kann. Die automatische Betriebsanlage kann dann den Widerstand vollständig herstellen, ohne daß eine Bearbeitungsperson den Widerstand wieder berührt. Die Herstellungskosten des Widerstandes können gering gehalten werden.

Wenn die Platte automatisch geschnitten wird, dann mißt die Widerstandsmeßvorrichtung ständig den Widerstand, was er laubt, daß der Widerstand mit sehr engen Toleranzen her stellbar ist. Der Widerstand ist insoweit vielseitig, als er mit vielen unterschiedlichen Wider standswerten hergestellt werden kann, indem nur ein Typ und eine Größe des Widerstandsmaterials und eine Produktions anlage verlangt wird. Der Rechner kann automatisch die not wendige Zahl der Schlitze und Tiefe der Schlitze berechnen, um den Widerstand mit der erforderlichen Toleranz und dem Widerstandswert herzustellen.

Der Schneidvorgang des Widerstandsmaterials mit einem La serstrahl wird so ausgeführt, daß das Metall der Platte zum Glühen kommt, so daß die elektrischen Kennwerte des Wider standes im wesentlichen stabil sind, wenn das Teil voll ständig hergestellt ist. Andere Schneidverfahren für das Widerstandsmaterial wie Sägen, Schleifen etc. üben Druck auf das Widerstandsmaterial aus, was dazu führt, daß der Widerstandswert und die Stabilität des Widerstandes sich mit der Zeit ändern. Das vorliegende Verfahren stellt sicher, daß der Widerstand über lange Benutzungs zeiträume hinweg stabil ist.

Kurzbeschreibung der Figur und der Zeichnungen:

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Herstellung der Widerstandselemente;

Fig. 2 zeigt eine teilperspektivische Darstellung eines Laser schneidwerkzeuges über einem zu schneidenden Wider standselement;

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein Widerstandselement, das erfindungsgemäß geschnitten worden ist;

Fig. 4 ist eine Draufsicht auf eine modifizierte Form;

Fig. 4A zeigt den Schnitt 4A-4A in Fig. 4;

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf eine modifizierte Form;

Fig. 5A zeigt den Schnitt 5A-5A in Fig. 5;

Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf eine modi fizierte Form;

Fig. 6 und 6B zeigen die Schnitte 6A-6A und 6B-6B in Fig. 6;

Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf eine modifizierte Form;

Fig. 7A und 7B zeigen die Schnitte 7A-7A und 7B-7B in Fig. 7.

Nachfolgend erfolgt eine detaillierte Beschreibung der bevor zugten Ausführungsform.

In den Zeichnungen, insbesondere Fig. 3 ist mit 10 ein elektrischer Widerstand bezeichnet. Der Wi derstand 10 umfaßt eine Metallplatte 12 mit mehreren Schlitzen 14, 16, die sich jeweils von gegenüberliegenden Kanten nach innen erstrecken.

Ein Paar Anschluß-Drähte 18, 20 sind an gegenüberliegenden Enden der Platte 12 mittels Punktschweißung oder einem anderen geeigneten Verfahren verbunden. Die Platte 12 kann aus irgendeinem elektrisch leitenden Material bestehen, wobei das bevorzugte Material eine Nickel-Chrom-Legierung ist. Die Dicke der Platte 12 kann im Bereich von 0,025 bis 1,25 mm liegen, wobei der bevorzugte Bereich zwischen 0,2 bis 1,25 mm liegt.

Die Schlitze 14, 16 sind versetzt und alternierend zuein ander angeordnet. Ferner erstrecken sie sich nach innen, so daß sie sich überlappen. Dies erhöht wirksam den Weg, den der elektrische Strom beim Fluß vom Draht 18 zum Draht 20 folgen muß. Der Widerstand der Vor richtung kann durch Änderung der Länge der Schlitze 14, 16 und des Abstandes zwischen den Schlitzen 14, 16 verändert werden.

Je enger die Schlitze 14, 16 beieinanderliegen, um so größer ist der Widerstand und je ferner die Schlitze voneinander liegen, um so geringer ist der Widerstand.

Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, liegen die Schlitze 14, 16 benachbart zu den Enden der Platte 12 näher aneinander als die Schlitze 14, 16, die benachbart zum Mittelpunkt der Platte 12 in Längsrichtung liegen. Dies erhöht den Wi derstand an den gegenüberliegenden Enden der Platte 12. Der Grund hierfür ist, daß bei Leistungswiderständen üblicher weise ein Wärmepunkt benachbart zum Zentrum in Längsrichtung des Widerstandes 10 auftritt. Bei einem herkömmlichen drahtgewickelten Wider stand kann die Hitze leichter abgegeben werden als vom Längszentrum des plattenförmigen Widerstandes 10.

Dadurch, daß die Schlitze 14, 16 an den Enden des Wi derstandes näher aneinander plaziert werden, ist es möglich, daß eine größere Wärmemenge benachbarter zu den Enden des Widerstandes 10 abgegeben werden kann, wobei zur selben Zeit die Temperatur des Widerstandes 10 relativ konstant durch dessen gesamte Länge gehalten werden kann. Dadurch wird die Tendenz zur Bildung eines Wärmepunktes benachbart zum Zentrum des Widerstandes 10 durch das relative Auseinanderlegen der Schlitze verringert, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.

Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 ist eine Laserschneide maschine 22 zur Bildung des Widerstandes 10 gezeigt. Die Maschine 22 weist einen üblichen Aufbau auf und ist typisch für Laserschneidemaschinen, die kommer ziell zum Schneiden und Bohren von Stahl erhältlich sind. Eine solch typische industrielle Laserschneidemaschine 22 ist die, die von der Ratheon Company bei ihrem Laser center in der 4th Avenue, Burlington, Massachusetts, 01803 unter der Warenbezeichnung SS-501-3 hergestellt wird. Bei dieser Maschine handelt es sich um ein Laserschweißsystem mit einer Durchschnittsleistung von 400 Watt bei bis zu 200 Impulsen pro Sekunde. Die maximale Energie pro Impuls be trägt 25 Joules. Die Schnittgeschwindigkeit ist von 1/8 m/s bis 3 m/s variabel.

Die Maschine 22 umfaßt einen Laserkopf 24, über den ein Laserstrahl zu dem zu schneidenden Objekt geleitet wird.

Fig. 2 zeigt einen Stütztisch 26 der Maschine 22, der zum Be wegen des Werkstückes relativ zum Laserkopf 24 benutzt wird. Der Stütztisch 26 kann in einer ersten Richtung durch Längsgleiten auf Gleitschienen 28 bewegt werden. Eine Be wegung des Werkstückes in einer Richtung quer zur ersten Richtung wird durch Gleitblöcke 30 ermöglicht, die gleitbar in Aussparungen 32 eingepaßt sind. Somit wird über die Gleit schienen 28 und die Gleitblöcke 30 eine XY-Achse geschaffen, längs derer das Werkstück bewegt werden kann.

Der erste Schritt des Herstellungsprozesses umfaßt die Befe stigung der Drähte 18, 20 an der Platte 12. Wenn die Drähte befestigt sind, werden die Platte 12 und die Drähte 18, 20 zwischen den Gleitblöcken 30 in der in Fig. 2 gezeigten Art und Weise befestigt. An den Drähten ist ein Paar elek trischer Verbindungselemente 34, 36 befestigt, an denen Drähte 38 angebracht sind. Die Drähte 38 führen zu einem Rechensteuersystem 40, das im Blockdiagramm in Fig. 1 ge zeigt ist. Das Rechensteuersystem 40 mißt die elektrischen Wi derstandswerte zwischen den beiden Drähten 18, 20. Ein Computersteuersystem kann dann die Abstände zwischen und die geforderte Länge für die Schlitze 14, 16 bestimmen und festlegen, um den gewünschten elektrischen Widerstands wert für den gesamten Widerstand zu erhalten. Wenn dieser durch das Rechensteuersystem 40 einmal berechnet ist, steuert es die Maschine 22, um die Schlitze entsprechend dem kalku lierten Muster zu schneiden. Das Computersteuersystem fährt fort den Widerstand der Vorrichtung während des Schneidver fahrens zu überwachen, so daß ein präzis und genau dem end gültigen Widerstandswert entsprechendes Instrument erzielt wird.

Der Laserstrahl schneidet systematisch die verschiedenen Schlitze 14, 16 in die Platte 12, die sich vollständig durch die Dicke der Platte 12 und nach innen erstreckt, und zwar überlappend und versetzt zu den Schlitzen, die an der gegenüberliegenden Seite gebildet werden.

Die Schlitze 14, 16 werden senkrecht zu der Längsachse des Wider standes geschnitten, so daß die Länge des elektrischen Strom weges verlängert wird, wodurch der wirksame Widerstand der Vorrichtung erhöht wird.

Das Verfahren zum Schneiden des Widerstandes auf dem ge wünschten Weg umfaßt die folgenden Schritte:

(a) Der Widerstand 10 wird auf dem XY-Stütztisch durch eine nicht gezeigte automatische Handhabungsanlage angeordnet.
(b) Der elektrische Anfangswiderstand des Widerstandes 10 wird ermittelt.
(c) Der Anfangswiderstandswert wird in das Rechensystem 40 eingegeben, wo dieser Wert mit dem Widerstandswert verglichen wird, der vorausgehend in den Computer programmiert wurde und der dem gewünschten Widerstandswert entspricht.
(d) Der Rechner berechnet dann die notwendige Zahl der Schlitze 14, 16 die Länge der Schlitze und den Abstand der Schlitze, um den letztendlichen gewünschten Widerstand zu erhalten. Für einen niederohmigen Widerstand sind nur relativ wenige Schnitte mit sehr kurzer Länge notwendig, wohingegen für hochohmige Widerstände 10 viele Schnitte großer Länge er forderlich sind.
(e) Der XY-Stütztisch 26 beginnt das Teil unter dem Laserstrahl zu bewegen, so daß der Laserstrahl die Schlitze wie ge wünscht einschneiden kann. Dies wird so schnell wie möglich ausgeführt, bis der allerletzte Schlitz geschnitten wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Schneidegeschwindigkeit verringert, so daß der Widerstandswert des Widerstandes mit ge ringer Toleranz bestimmt werden kann. Mit diesem Verfahren ist eine Widerstandstoleranz von weniger als einem halben Prozent leicht erzielbar.
(f) Der Widerstandswert des Widerstandes 10 wird konstant während des Schneidvorganges überprüft und, wenn am Ende der Widerstandswert seinen genauen Toleranzwert erreicht, dann wird der Widerstand 10 in eine zusätzliche automatische nicht gezeigte Handhabungsanlage angeordnet und längs der Fertigungsstraße weiterbewegt.

Die Anbringung der Drähte 18, 20 kann wie vorbeschrieben mittels Punktschweißens erfolgen, wobei aber auch andere Verfahren wie Stumpfschweißen angewendet werden können.

Wenn der Widerstand 10 fertig ist, wird er ferner in einen Schutzmantel in herkömmlicher Weise eingebettet, ummantelt oder eingeschmolzen.

Wie herausgefunden wurde, liegt ein besonderer Vorteil im Gebrauch eines Laserstrahls zum Schneiden der Schlitze 14, 16 darin begründet, daß der Laserstrahl zur selben Zeit, wo er die Schlitze schneidet, das Metall auch glüht, wodurch das Metall eine stabile elektrische Charakteristik beibehält. Ohne dieses Glühverfahren neigt der Widerstand 10 dazu, sich während des ständigen Gebrauchs zu verändern, wobei sich der Widerstandswert des Widerstandes während des Gebrauchs ändert. Es wurde herausgefunden, daß wahrscheinlich wegen eines glatten Schneidvorganges beim Schneiden mit Laser und des gleichzeitigen Glühens des Metalls durch den Laser eine überraschend verbesserte Stabilität als bei anderen Maßnahmen erzielbar ist.

In Fig. 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform des Widerstands mit Bezugszeichen 41 gezeigt. Der Widerstand 41 umfaßt Drähte 18, 20 ähnlich den Drähten 18, 20, wie sie in der Vorrichtung 10 in Fig. 3 gezeigt sind. Es wird ebenso eine Metallplatte 12 verwendet, die mit mehreren Schlitzen 14, 16 versehen ist, die sich von deren gegenüberliegenden Kanten nach innen erstrecken. Die Platte 12 ist jedoch in eine C-geformte Anordnung gebogen, wie dies in der Quer schnittsdarstellung nach Fig. 4A gezeigt ist. Die Seitenkanten 42, 44 sind nach innen gebogen, um die C-förmige Quer schnittsdarstellung zu bilden, wodurch die räumliche Größe des Widerstandes 41 verringert wird, so daß er in eine Schaltung kleiner Baugröße paßt.

Eine weitere abgewandelte Ausführungsform ist in Fig. 5 gezeigt und mit der Bezugsziffer 46 benannt. Der Widerstand 46 umfaßt die gleichen für die vorausgehende Abwandlung beschriebenen Komponenten mit Drähten 18, 20, einer Platte 12 und Schlitzen 14, 16. Nach dem jedoch die Platte 12 mit Schlitzen 14, 16 versehen wurde, ist sie um ungefähr 180° verdreht worden, so daß sie eine spiral- oder schraubenförmige Ausgestaltung auf weist.

Eine weitere Form ist in Fig. 6 gezeigt und mit Bezugsziffer 48 bezeichnet. Der Widerstand 48 umfaßt ein zylindrisches Keramik- oder geformtes Plastikgehäuse 50, welches ein Loch 52 aufweist, das sich in Axialrichtung hindurch erstreckt. Das Loch 52 ist, wie gezeigt, im Querschnitt rechteckförmig, wobei es auch andere Querschnittsformen wie oval oder kreisförmig aufweisen kann.

Der Widerstand 10 (Fig. 3) ist im Loch 52 angeordnet, so daß er das Gehäuse 50 nicht berührt. Dann wird eine Formmasse, wie sie ge wöhnlich für eingeschlossene Widerstände verwendet wird, in das Loch hineingegeben, so daß sie die Platte 12 des Widerstandes 10 vollständig umgibt und die Platte 12 des Widerstandes 10 vor Außeneinflüssen schützt. Die Formmasse ist mit Bezugszeichen 54 bezeichnet. Die beiden bevor zugten Formmassen zur Verwendung in diesem Verfahren werden von der Dow Corning Campany, 592 Saginaw Road, Midland, Michigan hergestellt und als Dow Corning Silikon- Formmasse unter der Produktnummer 1-5201 und 480 bezeichnet.

In Fig. 7 ist eine andere Ausbildungsform für einen eingegossenen Widerstand 10 gezeigt. Die Formmasse, die mit Bezugszeichen 56 bezeichnet ist, ist um die Platte 12 des Widerstandes 10 so geformt, daß sie vollständig die Platte 12 umgibt, wobei die Drähte 18, 20 aber nach außen vorragen. Dieser geformte Widerstand ist mit der Bezugsziffer 58 versehen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Wider standes (10), bestehend aus einer Platte (12), vorzugsweise aus Metall, die eine durch seitliche Schlitze (14, 16) ge bildete meanderförmige Form aufweist, und einem Paar elek trischer Anschlußdrähte (18, 20), die mit den Enden der Platte (12) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (14, 16) mit einem Laserstrahl in die Platte (12) geschnitten werden und mit dem Laserstrahl das Material der Platte (12) während des Schneidens zum Glühen gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand der Platte (12) vor dem Schneiden der Schlitze (14, 16) gemessen und elektronisch die Länge der Schlitze (14, 16) berechnet werden, wodurch ein vorbe stimmter Widerstandswert für die Platte (12) nach dem Ein schneiden der Schlitze (14, 16) erzeugt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch

- einen Träger (26) zum Halten der Platte (12),
- eine erste Einrichtung (34, 36, 38, 40) zum Messen des Widerstands der Platte (12),
- eine Computer-Einrichtung (40), die mit der ersten Einrichtung zum Messen verbunden ist und eine Speichereinrichtung für einen vorgegebenen Wider standswert für die Platte (12) aufweist und eingerichtet ist, die effektive elektrische Länge der Platte (12) zur Erzielung des vorgegebenen Widerstandswertes zu berechnen,
- ein Laser für die Projektion eines Laser strahls auf die Platte (12),
- eine Koordinaten-Steuereinrichtung (28, 30, 32) zum Bewegen des Trägers auf X- und Y-Koordinatenachsen,
- wobei die Computer-Einrichtung mit dem Laser und der Koordinaten-Steuereinrichtung verbunden ist, um die Schlitze (14, 16) in die Platte (12) zu schneiden und eine wirksame elektrische Länge in der Platte (12) und damit einen elektrischen Widerstand zu erzeugen, der dem vorgegebenen Widerstandswert ent spricht.