JP2002233944A - ワイヤーソー用ローラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のものに比して耐摩耗性に優れたワ
イヤーソー用ローラを提供することである。 【解決手段】 張設されるワイヤーＷと共同でワイヤー
ソーを構成し、かつ、周面には、このワイヤーＷをガイ
ドする環状溝１が周方向に沿って形成されてなるワイヤ
ーソー用ローラにおいて、少なくとも環状溝１が形成さ
れているその周面表層部分を、窒化珪素および窒化珪素
以外の無機物質を成分とするセラミックスから構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンウエハー
や水晶発振子、更には磁気ヘッド等になる各種材料を切
断するためのワイヤーソーにおいて用いられるワイヤー
ソー用ローラに関するものである。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】例えば、柱状のシリコ
ン塊を加工してシリコンウエハーを得る際、その切断に
は、他の手法に比して寸法精度や処理速度の点で優位で
あることから、主としてワイヤーソーが使用されてい
る。

【０００３】このワイヤーソーについては既に公知であ
るが、概して言うと、所定の位置関係で互いに平行に配
置された２〜４個のローラ（ワイヤーソー用ローラ）群
に、１本のワイヤーを等しい間隔で巻き付けた構造とな
っている。このようにして平行張設されたワイヤー（ワ
イヤー列）はローラ間を高速で往復動し、これによって
当接させられた物体を切断する。なお、この時、ワイヤ
ーと被切断物との接点には砥粒スラリーが供給される。
したがって正確に言うと、被切断物は、それ自身とワイ
ヤーとの間に入り込む砥粒と、高速で往復動するワイヤ
ーとの共同作用によって切断されていく。

【０００４】ところで、上記ワイヤーソーでの切断加工
により得られる薄板の厚さは、言うまでもなくワイヤー
同士の間隔に、いいかえれば、ローラの周面に存在する
環状溝のピッチ（溝ピッチ）に依存する。したがって高
い切断精度を得るには、溝ピッチの精度が高いワイヤー
ソー用ローラが不可欠となる。

【０００５】また、殊に水晶発振子については、切断角
度がその性能に甚大な影響を及ぼす。それゆえ、こうし
た製品を得るためのワイヤーソーでは、それを構成する
ローラの環状溝断面形状が、加工作業の途中で変化しな
いことが極めて重要になる。すなわち、作業中に環状溝
の断面形状が変化しない、耐久性に優れたワイヤーソー
用ローラの使用が必須となる。

【０００６】従来、ワイヤーソー用ローラはナイロンや
ウレタンなどの樹脂材料を用いて構成されることが多か
った。しかし、高速で往復動するワイヤーとの摩擦で生
じる熱により、ローラ周面の表層部分は、樹脂材料が変
形するほどの温度になることがある。このため樹脂製の
ワイヤーソー用ローラでは、比較的容易に溝の断面形状
が変化し、この結果、溝ピッチの精度が低下する。こう
した理由から樹脂製ローラでは、所期の加工精度を得ら
れないことがあった。

【０００７】近年、こうした不具合を解消するため、セ
ラミックス製のワイヤーソー用ローラが開発された（例
えば特開平９−２９０３６１号公報や特開平１０−５２
８１７号公報等参照）。すなわち、ワイヤーソー用ロー
ラをアルミナ、ジルコニア、炭化珪素等のセラミックス
から構成する技術が提案された。こうしたセラミックス
製のワイヤーソー用ローラは、樹脂製のものに比べ上記
不具合が極めて起きにくく、実際、それを採用すること
で、加工精度や耐久性を著しく向上させることができる
ようになった。

【０００８】だが昨今は、上記ワイヤーソーを用いて得
ようとする物品が、ますます小型化してきており、その
一方で、生産性をこれまで以上に高めることが急務とな
っている。こうした現状に対応するには、加工精度の向
上に加えて、ローラの寿命を更に延ばす必要があるが、
そのためにはローラの耐摩耗性を一段と向上させなけれ
ばならない。

【０００９】したがって、本発明が解決しようとする課
題は、従来のものに比して耐摩耗性に優れたワイヤーソ
ー用ローラを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するべく
鋭意研究を推し進める過程で、本発明者は次のような点
に着目した。

【００１１】ワイヤーソーを用いて何らかの物体を切断
する際、ワイヤーとこの被切断物との接点には砥粒スラ
リーが供給されるが、ワイヤーは高速で往復動するの
で、砥粒はワイヤーとローラ溝（ローラ周面の環状溝。
以下、環状溝と言う）との間にも入り込む。ところでロ
ーラが反転する瞬間、ワイヤーと環状溝との間にはスリ
ップが起きる。しかし、そこには砥粒が存在しており、
したがって環状溝は主としてこのスリップ時に砥粒の作
用で摩耗するのである。特にセラミックス製のローラで
は、砥粒の食い込み現象により、環状溝の内表面にクラ
ックが発生する場合がある。セラミックス製ローラにお
ける環状溝の摩耗は、ワイヤーとのスリップ時に、この
クラックの生じた部分が除去されることで進行してい
く。

【００１２】そこで本発明者は、何らかの手段で、環状
溝の内表面に発生するクラックが、これまでよりも軽微
な規模で止まるようにすれば、環状溝の摩耗の進展を遅
らせることができるであろうと考えた。すなわちこのよ
うにすれば、セラミックス製ローラの耐摩耗性を大幅に
向上させることが可能であるとの結論に到達した。

【００１３】こうした技術思想に基づいて更に研究を推
し進めた結果、本発明者は遂に、ローラ（少なくとも環
状溝が形成されるその周面表層部分）を構成するセラミ
ックスとして、単一の成分だけからなるものではなく、
二つ以上の成分からなるものを使用すればよいことを突
き止めた。すなわち、これによって、環状溝の内表面に
発生するクラックを、これまでよりも格段に軽微なもの
にできることを見出した。これは、セラミックスが性状
の異なる複数の成分粒子を含んでいると、たとえ表層に
クラックが生じても、外力はそこに集中せず周辺に効果
的に散逸し、この結果、外力がクラックの成長には、ほ
とんど寄与しなくなるからであると考えられる。

【００１４】加えて上記研究の過程で、こうしたローラ
にあっては、それを構成するセラミックスの一つの成分
（多くの場合、主成分）として、窒化珪素を使用するこ
とが絶対条件になることが判明した。これは、窒化珪素
を含むセラミックスが際立って耐摩耗性に優れる上、ワ
イヤーソー用ローラの材料に望まれる、さまざまな特性
を有する物質だからである。

【００１５】一方、窒化珪素以外の成分（無機物質）に
ついては、さまざまなものが考えられるが、なかでも窒
化チタンが特に好適であることが判った。その理由とし
ては、この窒化チタンがクラックの成長抑止（外力散
逸）に、とりわけ優れた効果を発揮するということだけ
でなく、窒化珪素同様に窒化物であるため、窒化珪素と
同じ雰囲気中で焼成が可能であるといった点も挙げられ
る。

【００１６】本発明は、こうした知見に基づいてなされ
たものであり、上記の課題は、張設されるワイヤーと共
同でワイヤーソーを構成し、かつ、周面には、前記ワイ
ヤーをガイドする環状溝が周方向に沿って形成されたワ
イヤーソー用ローラであって、少なくとも前記環状溝が
形成されている周面表層部分は、窒化珪素および窒化珪
素以外の無機物質を成分とするセラミックスからなるこ
とを特徴とするワイヤーソー用ローラによって解決され
る。

【００１７】特に、上記の課題は、張設されるワイヤー
と共同でワイヤーソーを構成し、かつ、周面には、前記
ワイヤーをガイドする環状溝が周方向に沿って形成され
たワイヤーソー用ローラであって、少なくとも前記環状
溝が形成されている周面表層部分は、窒化珪素および窒
化チタンを成分とするセラミックスからなることを特徴
とするワイヤーソー用ローラによって解決される。

【００１８】なお、本発明に係るワイヤーソー用ローラ
に関して、少なくともその周面表層部分を構成するセラ
ミックスにおける窒化チタンの比率は、０．５〜５０重
量％、特に１〜１０重量％であることが好ましい。これ
は、窒化チタンの比率がそれより高くなるとセラミック
スの硬度が急激に低下し、逆に比率がそれより低くなる
と、十分なクラック成長抑止効果を得られないことがあ
るためである。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図１および図２を用いて、
本発明の一実施形態を具体的に説明する。なお、図１は
本実施形態に係るワイヤーソー用ローラの外観図、図２
はその要部を拡大して示す断面図である。

【００２０】本実施形態に係るワイヤーソー用ローラ
（以下、本ワイヤーソー用ローラと言う）は、シリコン
ウエハーなどの製造に用いられるワイヤーソーを、張設
されるワイヤーと共同で構成するものである。すなわ
ち、数個の本ワイヤーソー用ローラを所定の位置関係で
回転自在に配置し、更にこのローラ群に、１本のワイヤ
ーを等間隔で数十〜数百回程度巻き付けることでワイヤ
ーソーが形成されている。したがって本ワイヤーソー用
ローラは、それを用いて平行に張設されたワイヤー（ワ
イヤー列）を、それが高速で往復動している間に位置ず
れしないようガイドする役割を果たす。なお、このワイ
ヤーソー自体の構造は公知であるから、ここではこれ以
上詳しく説明しない。

【００２１】さて本ワイヤーソー用ローラは、図１から
判るように、概して二つの部分からなる。すなわち、大
径部Ａと小径部Ｂとから本ワイヤーソー用ローラは構成
されている。

【００２２】このうち大径部Ａは円筒状のものであっ
て、周面で上記ワイヤーを受ける役割を果たす。一方、
小径部Ｂも同じく円筒状であって、大径部Ａの一端側
に、それに対して一体的に設けられている。これら大径
部Ａおよび小径部Ｂの連続した中空部（中心貫通孔）に
は、図示していない軸が位置させられる。本ワイヤーソ
ー用ローラはこの軸を用い、かつ、それを中心として回
転自在であるよう設置される。この際、小径部Ｂは軸受
け（図示せず）に直接セットされることになる。

【００２３】上記大径部Ａの周面には、ワイヤーをガイ
ドするための環状溝１が周方向に沿って複数本、例えば
数十〜数百本程度形成されている。この環状溝１のそれ
ぞれは連続した切れ目のないものであり、原則としてそ
の本数は、上記ローラ群へのワイヤーの巻回数と等しく
なるよう設定される。更に言えばこの環状溝１は、図２
に拡大して示すごとく、断面が略三角形状のものであっ
て、上述したごとく大径部Ａの周方向に沿って、したが
ってローラの周方向に沿って等しい間隔で形成されてい
る。

【００２４】先に説明したワイヤーソーを構成するワイ
ヤーＷ（図２中、一点鎖線で示す）は、上記環状溝１内
に、その内表面（テーパー面）に接触した状態で収納さ
れるようになっている。本ワイヤーソー用ローラにあっ
ては、このようにしてワイヤーＷが環状溝１によってガ
イドされる。

【００２５】さて、本ワイヤーソー用ローラは、その全
体がセラミックスから構成されている。すなわち、大径
部Ａおよび小径部Ｂからなる本ワイヤーソー用ローラ
は、セラミックス製の一体成形品である。本実施形態で
は、同ローラを構成するセラミックスとして、窒化珪素
と、この窒化珪素以外の無機物質、特に窒化チタンとを
成分とするものを用いた。

【００２６】但し、窒化珪素と組み合わせられる第２の
成分は、窒化チタンに限定されるわけではない。また本
実施形態では、ローラ全体を上記組成のセラミックスか
ら構成したが、少なくとも環状溝１が形成されているロ
ーラの周面表層部分（例えば周面から深さ数ｍｍ程度ま
での部分）が、窒化珪素および窒化チタンを成分とする
セラミックスからできていればよい。なお、ここでは、
窒化珪素および窒化チタンを成分とする、ローラ全体
（したがって周面表層部分）を構成するセラミックスに
おける窒化チタンの比率を、０．５〜５０重量％、特に
１〜１０重量％とした。

【００２７】参考までに言うと、上記環状溝１を得るに
は、加工用工具であるダイヤモンド砥石を用いている。
更に具体的に言うと、まずセラミックス製の筒状体（ロ
ーラの原材）を高速回転させ、それに対して砥石の先端
を圧接させて、筒状体の周面を環状に所定の深さまで切
削（溝形成加工）する。続いては、砥石をいったん後退
させ、そしてローラ軸方向に沿って環状溝１のピッチ分
だけ移動させる。以後は、こうした操作を繰り返し実施
すればよく、これによって図１に示す本ワイヤーソー用
ローラが得られる。

【００２８】さて、上述したように本ワイヤーソー用ロ
ーラにあっては、その全体が、特に環状溝１が形成され
る周面表層部分が、窒化珪素および窒化チタンを成分と
するセラミックスから構成されている。このため、ワイ
ヤーＷをガイドする環状溝１の内表面に発生するクラッ
ク（セラミックスのような脆性材料においては不可避的
に発生する）を、従来の単一成分からなるセラミックス
製ローラのそれよりも格段に軽微なものとすることがで
きる。なぜなら、セラミックスが性状の異なる２種類の
成分粒子を含んでいる場合、たとえ表層にクラックが生
じても、外力はそこに集中せず周辺に効果的に散逸し、
この結果、外力がクラックの成長には、ほとんど寄与し
なくなるからである。

【００２９】本ワイヤーソー用ローラでは、こうした理
由で、環状溝１の内表面に発生するクラックが、これま
でよりも格段に軽微な規模で食い止められる。よって、
主にこのクラックの発生・除去に起因した環状溝１の摩
耗の進展を遅らせることができる。それゆえ本ワイヤー
ソー用ローラは、従来のものに比して格段に優れた耐摩
耗性を発揮し、この結果、ローラ自体の長寿命化が実現
する。

【００３０】

【実施例】以下のようにして、上記実施形態に係るワイ
ヤーソー用ローラを製作した（これを実施例と言う）。

【００３１】まず、窒化珪素の粉末および窒化チタンの
粉末を混合し、それにバインダを適量添加することによ
り顆粒を形成した。なお、窒化チタン粉末の配合比率
は、それと窒化珪素粉末との混合物全体に対して、３重
量％である。次に、この顆粒を型に入れて押し固め、直
径（最大外径）１２５ｍｍ、長さ２５０ｍｍの円筒体を
形成した。更に、それを窒素雰囲気中にて１７５０℃で
焼成し、ローラの原材を得た。ちなみに、焼成後、その
直径は１００ｍｍに、長さは２００ｍｍになっていた。

【００３２】続いて、こうして得たローラの原材に、回
転軸となる金属芯を取り付けた。そして外周面の平滑化
処理に続いて、ワイヤーをガイドする複数の環状溝を、
ダイヤモンド砥石を用いて形成する作業を行い、最終製
品（上記実施形態に係るワイヤーソー用ローラ）を得
た。なお、ここでは、上記環状溝の内表面（壁面）同士
のなす角度を５０°とし、更にその先端部（溝底部）の
曲率半径を６５μｍに設定した。これは、ガイドされる
ワイヤーが環状溝の溝底と接触しないようにするためで
ある。

【００３３】一方、上記実施例との比較のために、窒化
珪素だけからなる先と同形状のワイヤーソー用ローラを
製作した（これを比較例と言う）。更に具体的に言う
と、窒化珪素粉末にバインダを適量添加し混合すること
で窒化珪素の顆粒を作り、それを用いて上記実施例と同
じ手法により、直径（最大外径）１２５ｍｍ、長さ２０
０ｍｍの円筒体を形成した。そしてこの円筒体を、やは
り１７５０℃で焼成し、更に環状溝形成作業を行って、
最終製品である直径１００ｍｍ、長さ２００ｍｍのワイ
ヤーソー用ローラを得た。

【００３４】上記のごとくして得た実施例のワイヤーソ
ー用ローラと、線径が０．１５ｍｍのワイヤーとを用い
てワイヤーソーを構成した。そして、炭化珪素を主成分
とする砥粒スラリー（＃１０００）を、ワイヤーと被切
断物との接点に供給しながら実際に水晶の切断を行っ
た。すると切断作業開始後、７０時間が経過してからワ
イヤーは溝底に達した。また、ワイヤーが溝底に達して
からの溝の摩耗速度は０．３μｍ／ｈであった。最終的
に実施例のワイヤーソー用ローラは、最低でも約３か月
間の使用に十分耐えることが確認され、その高い有用性
が裏付けられた。

【００３５】一方、比較例のワイヤーソー用ローラにつ
いても、それと線径が０．１５ｍｍのワイヤーとからワ
イヤーソーを構成した。そしてこれを用い、やはり炭化
珪素を主成分とする砥粒スラリー（＃１０００）を供給
しながら水晶の切断を行った。すると、切断作業開始
後、５５時間程度でワイヤーが溝底に達してしまい、ま
た、それ以降の溝の摩耗速度は、０．５μｍ／ｈという
高い値を示した。このため比較例のワイヤーソー用ロー
ラは、約２か月間の使用で新しいものと交換しなければ
ならなくなった。

【００３６】

【発明の効果】本発明に係るワイヤーソー用ローラは耐
摩耗性に優れ、その長寿命化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係るワイヤーソー用ローラ
の外観図

【図２】本発明の実施形態に係るワイヤーソー用ローラ
の要部を拡大して示す断面図

【符号の説明】

Ａ ワイヤーソー用ローラの大径部 Ｂ ワイヤーソー用ローラの小径部 １ 環状溝 Ｗ ワイヤー

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 張設されるワイヤーと共同でワイヤーソ
   ーを構成し、かつ、周面には、前記ワイヤーをガイドす
   る環状溝が周方向に沿って形成されたワイヤーソー用ロ
   ーラであって、 少なくとも前記環状溝が形成されている周面表層部分
   は、窒化珪素および窒化珪素以外の無機物質を成分とす
   るセラミックスからなることを特徴とするワイヤーソー
   用ローラ。
2. 【請求項２】 張設されるワイヤーと共同でワイヤーソ
   ーを構成し、かつ、周面には、前記ワイヤーをガイドす
   る環状溝が周方向に沿って形成されたワイヤーソー用ロ
   ーラであって、 少なくとも前記環状溝が形成されている周面表層部分
   は、窒化珪素および窒化チタンを成分とするセラミック
   スからなることを特徴とするワイヤーソー用ローラ。
3. 【請求項３】 周面表層部分を構成するセラミックスに
   おける窒化チタンの比率が、０．５〜５０重量％である
   ことを特徴とする請求項２に記載のワイヤーソー用ロー
   ラ。
4. 【請求項４】 周面表層部分を構成するセラミックスに
   おける窒化チタンの比率が、１〜１０重量％であること
   を特徴とする請求項２に記載のワイヤーソー用ローラ。