JP2004261843A - 切断装置およびそれを用いた切断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】確実な落下防止ができ、部品点数を減少して構造の簡略化が図れる切断装置およびそれを用いた切断方法を提供すること。
【解決手段】平板状の板状材料１２をレーザー加工することにより所定形状に切断する切断装置１０に、板状材料１２を設置するための複数の支持部２２を備えた切断用治具２０を設けた。そして、支持部２２を、上端面２３が平面になり上部側が下部よりも細く側面が傾斜面になった棒状体で構成し、各支持部２２間の下部側部分の間隔を切断材料が通過できない幅に設定した。また、切断の際に、支持部２２を冷却するための冷却水供給装置を設けた。さらに、支持部５２の上部５２ｂと下部５２ａとの間を段状にした。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー光を用いて平板状の材料を所定形状に切断するための切断装置およびそれを用いた切断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、角柱状のチップを切断する際には、バルク材をスライス加工して円板状または四角板状の平板にしたのちに、所定サイズの長方体にダイサー等により切断している。しかしこのダイサーを用いる方法では、チッピングやバリの問題があったため、レーザー光を用いる切断方法が考えられた。この方法では、切断装置が備える切断用治具の上端部に設置して、レーザー光を当てることにより所定サイズの長方体に切断している。この場合、切断用治具には、上方に向かって延びる棒状の支持部が所定間隔で複数個設けられており、スライス加工された熱電材料は、この複数の支持部の上端部に設置されて切断される（例えば、特許文献１）。
【０００３】
この切断用治具では、所定間隔で設けられた桟部材の上面に、ボルトを介して六角柱状のホルダーが固定され、ホルダーの上面に、上端部が円錐形に形成され下部が円柱状に形成された小径の支持ピンが着脱可能に取り付けられている。そして、各支持ピン間を交互に通した状態で、帯状板をホルダーの上端面に掛け渡すことにより切断された切断材料（熱電素子）が落下しないようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３４３２６６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した切断用治具を備えた切断装置では、各ホルダー間および各帯状板間の間隔が大きいため、切断された切断材料が小さくなるとホルダーや支持ピン等で構成される切断用治具から落下することがある。この結果、切断材料の回収に手間がかかり切断作業の効率が悪くなるという問題が生じている。また、材料を一方向に切断したのちに、その一方向に直交する他方向に切断する際に、材料が傾いてしまい、他方向の切断の精度が悪くなることがある。この結果、切断された材料の寸法精度が悪くなったり、不良品の発生が多くなったりするという問題が生じている。また、切断用治具を構成する部材の数が多いため、構造が複雑になり、切断用治具の組み付けが面倒になるという問題やコストが高くなるという問題もある。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、確実な落下防止ができ、部品点数を減少して構造の簡略化が図れる切断装置およびそれを用いた切断方法を提供することである。
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明にかかる切断装置の構成上の特徴は、平板状の材料を、上方に向かって突出した複数の突起からなる支持部を備えた切断用治具の上端部に設置してレーザー加工することにより所定形状に切断する切断装置であって、支持部の上部側部分の幅を下部側部分の幅よりも小さくるとともに、各支持部の間隔を所定形状に切断された各切断材料が通過できない幅に設定したことにある。
【０００８】
本発明の切断装置では、平板状の材料を支持するための各支持部を上部側が下部よりも細くなった突起で構成している。そして、各支持部間の下部側部分の間隔を切断された各切断材料が通過できない幅、例えば、切断材料の最も短い一辺の長さより短い長さに設定している。したがって、例えば、一方向と一方向に直交する他方向に切断されて直方体になった切断材料は、支持部の上端部に残ったままの状態になるか、または、落下しても各支持部間に挟まれた状態になる。
【０００９】
このように、各支持部間の間隔は、切断された材料を通過させない幅に設定されているため、切断された材料の確実な落下防止ができる。これによって、各切断材料の回収作業がスムーズに行える。また、一方向の切断が終了した後の材料には切断面同士が互いに支持し合った状態で支持部に支持されるため、傾きが生じにくくなる。このため寸法精度のよい切断材料を得ることができる。この場合、各支持部は一定間隔で配置することが好ましい。
【００１０】
また、本発明にかかる切断装置の他の構成上の特徴は、支持部の側面を傾斜面に形成したことにある。これによると、支持部の形状を円錐、四角錐、三角錐等にすることができ、支持部の成形が容易になる。また、支持部の側面を傾斜面にすることにより、材料を切断して下方に通過したレーザー光が支持部に当たっても側面で反射させることができるため、レーザー光による支持部の消耗を抑制することができる。
【００１１】
また、本発明にかかる切断装置のさらに他の構成上の特徴は、支持部の上部側部分と下部側部分との間を段状に形成したたことにある。この場合、各支持部の下部側間の幅は、切断材料が入り込めない長さ、例えば、切断材料の最も短い一辺の長さより短い長さに設定しておく。これによっても切断材料の落下防止が可能になる。
【００１２】
また、本発明にかかる切断装置のさらに他の構成上の特徴は、支持部の上端部を平面状に形成したことにある。これによると、平板状の材料に当たる部分が平面状になるため、支持部を硬質材料で構成しても材料が傷つくことがなくなる。また、材料の支持を安定した状態で行える。これによって、良好な切断材料を得ることができる。
【００１３】
本発明にかかる切断方法の構成上の特徴は、材料を切断装置の切断用治具の上端部に設置する材料設置工程と、材料における支持部間の隙間に位置する部分にレーザー光を照射しながら材料を一方向に切断する一方向切断工程と、支持部および材料を水平面上で所定角度回転移動させる回転移動工程と、回転移動工程によって回転移動した状態の材料おける支持部間の隙間に位置する部分にレーザー光を照射しながら一方向と所定角をなす他方向に材料を切断する他方向切断工程とを備えたことにある。
【００１４】
本発明の切断方法では、前述した各切断装置を用いて、平板状の材料を落下防止した状態で切断して切断材料を得るようにしている。また、その際、材料を一方向に切断したのちに水平面上で９０度回転させて一方向に直交する他方向に切断するため寸法精度のよい直方体の切断材料が得られる。
【００１５】
また、本発明にかかる切断方法の他の構成上の特徴は、一方向切断工程および他方向切断工程の際に、支持部を冷却する冷却工程を行うことにある。これによると、切断の際に生じる熱によって、材料が過度に加熱されることを防止でき、ばりの発生や切断材料の型崩れによる不良発生をなくすことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本実施形態による切断装置１０の要部の概略図を示している。この切断装置１０は、切断用治具２０と、この切断用治具２０を回転可能に支持する回転テーブル１１と、切断用治具２０の上端部に設置される円板状の板状材料１２を切断するためのレーザー光を照射する加工ヘッド１３とを備えている。
【００１７】
切断用治具２０はステンレス鋼からなっており、図２に示したように、板状のベース部２１と、ベース部２１の上面に縦横に一定間隔で形成された複数の支持部２２とで構成されている。また、各支持部２２は図３に示したように、上端部が平面からなる上端面２３に形成された円錐台形の略棒状に形成されており、各上端面２３は同一面上に位置するように設定されている。この支持部２２の上端面２３に板状材料１２が図１および図２のように設置される。
【００１８】
回転テーブル１１は、移動装置（図示せず）に取り付けられた回転駆動装置（図示せず）の回転軸１４に連結されており、移動装置の駆動によってＸ方向（図１の左右方向）に移動でき、回転駆動装置の駆動によって回転軸１４の軸回りに回転可能になっている。また、加工ヘッド１３はレーザー発振器を備えており、レーザー発振器から出力されるレーザー光を加工ヘッド１３の下端部から板状材料１２に向けて照射し、板状材料１２を図２のように切断する。この加工ヘッド１３は、移動装置および昇降装置（図示せず）に連結されており、移動装置の駆動によってＹ方向（図１の前後方向）に移動でき、昇降装置の駆動によってＺ方向（図１の上下方向）に移動可能になっている。
【００１９】
また、図示していないが、この切断装置１０は、板状材料１２を切断する際に、板状材料１２に焼き付けが発生することを防止するために、支持部２２を冷却する冷却水供給装置を備えている。この冷却水供給装置は、支持部２２の内部に設けられた水路に冷却水を供給することによって支持部２２を冷却する。また、板状材料１２は、熱電モジュールにおいてチップとして用いられる熱電素子を形成するための熱電材料で構成されており、ビスマス・テルル系の合金からなっている。
【００２０】
つぎに、以上のように構成した切断装置１０を用いて、板状材料１２を切断する方法について説明する。この板状材料１２を所定の形状に切断する際には、予め、円板状の板状材料１２を準備しておく。これは、ビスマス・テルル系の合金を溶解したのちにインゴットに成形し、このインゴットをスライス加工して円板状にすることによって得られる。そして、円板状になった板状材料１２を切断用治具２０の上端部に平面を対向させて設置する。ついで、移動装置を駆動させて回転テーブル１１とともに切断用治具２０および板状材料１２をＸ方向の適正位置に移動させたのち、回転駆動装置を駆動させて板状材料１２の回転軸１４の軸回りの角度を適正な状態にする。
【００２１】
つぎに、加工ヘッド１３の移動装置および昇降装置を駆動させることにより加工ヘッド１３をＹ方向およびＺ方向に移動させて、切断の開始位置に位置させる。その状態で、レーザー発振器からレーザー光を出力させながら、加工ヘッド１３をＹ方向に移動させて切断を行う。そして、順次板状材料１２をＸ方向に移動させながら前述した操作を板状材料１２における各支持部２２間に位置する部分に対してそれぞれ行うことにより図２に示したように、板状材料１２を一方向に沿って複数個に切断する。この間、冷却水供給装置を駆動させて、各支持部２２を冷却しておく。これによって、板状材料１２に焼き付けが生じたり、切断部にばりが生じたりすることを防止できる。
【００２２】
ついで、回転駆動装置を駆動させて板状材料１２を回転テーブル１１および切断用治具２０とともに、水平面上で、例えば９０度回転移動させる。つぎに、再度、前述したレーザー光による板状材料１２の切断を順次行うことにより、板状材料１２を小チップからなる直方体の切断材料（図示せず）に形成する。この場合も、冷却水供給装置を駆動させて、各支持部２２を冷却しながら板状材料１２の切断を行う。切断された切断材料は、互いの切断面で支持し合いながら切断用治具２０の上端部に保持される。そして、切断されて長方体になった切断材料を次の工程に送る。この際、支持部２２の上端面２３から落下した切断材料は、支持部２２間に挟まった状態になる。その支持部２２間の隙間に挟まった切断材料は回収して前述した切断材料と一緒につぎの工程に送る。
【００２３】
このように、本実施形態にかかる切断装置１０では、支持部２２の上部側が下部側よりも細くなっているため、板状材料１２が接触する各上端面２３間の間隔が広くなりレーザー光による板状材料１２の切断がし易くなる。すなわち、レーザー光を板状材料１２だけに当てることが容易にでき、これによってレーザー光の照射による支持部２２の消耗を低減させることができる。また、支持部２２の側面が傾斜面になっているため、板状材料１２を切断して下方に通過したレーザー光が支持部２２に当たっても側面によって反射されやすく、これによって支持部２２の消耗を小さくすることができる。
【００２４】
さらに、支持部２２の上端部が平面からなる上端面２３に形成されているため、切断された切断材料が安定した状態で支持部２２の上端部に保持される。また、支持部２２の上端面２３が平面に形成されているため、切断用治具２０を硬質材料で構成しても板状材料１２を傷つけることがない。また、支持部２２の上端部から切断材料が落下した場合、切断材料は支持部２２間に引っかかるため容易に回収することができ、次の作業への移行がスムーズに行われる。また、板状材料１２の一方向の切断の終了後に切断された板状材料１２に傾きが生じにくいため方向を変えて行う次の他方向の切断も適正に行えるようになり、寸法精度のよい切断材料を得ることができる。
【００２５】
図４は、本発明の他の実施形態にかかる切断装置が備える支持部３２を示している。この支持部３２が設けられた切断用治具は銅からなっており、各支持部３２は円錐状に形成されている。この切断装置のそれ以外の部分の構成については前述した実施形態による切断装置１０と同一である。これによると、レーザー光を照射できる部分が広くなるため板状材料１２の切断がさらに容易になる。また、これによっても切断材料の落下防止ができ良好な切断材料を得ることができる。
【００２６】
図５は、本発明のさらに他の実施形態にかかる切断装置が備える支持部４２を示している。この支持部４２が設けられた切断用治具はアルミニウムからなっており、各支持部４２は、縦断面形状が三角形になった横長の突起４３を縦方向に複数個並べ、各突起４３の上端部に一定間隔で切欠き部４４を横方向に設けることによって構成されている。すなわち、１個の突起４３に複数個の支持部４２が切欠き部４４を介して形成されている。
【００２７】
このため、この切断用治具の上端部には、横長の線状の上端部４５が縦横に格子状に形成されている。この切断装置のそれ以外の部分の構成については前述した実施形態による切断装置１０と同一である。これによると、レーザー光を照射できる部分が広くなり板状材料１２の切断が容易になるとともに、板状材料１２を安定した状態で保持できる。
【００２８】
図６は、本発明のさらに他の実施形態にかかる切断装置が備える切断治具５０を示している。この切断用治具５０チタンからなっており、各支持部５２は、下部５２ａが上部５２ｂよりも直径が大きくなった段付きの棒状体で構成されている。この支持部５２は、縦横に一定間隔で設けられており、各下部５２ａ間の隙間は、切断材料が入り込めない幅に設定されている。この切断装置のそれ以外の部分の構成については前述した実施形態による切断装置１０と同一である。これによっても、板状材料１２を安定した状態で保持でき、良好な切断材料を得ることができる。
【００２９】
つぎに、切断装置１０を用いて板状材料の大きさや成形方法および切断の条件を変えて切断を行った各実施例と、切断刃を用いたダイシングによる切断装置を用いて板状材料の大きさや成形方法を変えて切断を行った各比較例とにおける切断材料の歩留まりの比較結果について説明する。この場合、ばりが生じて外観上から不良と判断できる切断材料や、欠けや折れが生じた切断材料を不良品として各切断材料の歩留まりを判定した。その結果は下記の通りであった。
【００３０】
【実施例１】
インゴットから厚みが１ｍｍの円板状の材料をスライス加工によって切断しこれを板状材料とした。そして、この板状材料を縦横の寸法がともに１ｍｍになるように切断して切断材料を得た。この場合、レーザー発振器の出力を４０ｗとし、レーザー光のパルス幅を０．６ｍｓとし、切断速度を１００ｍｍ／ｍｉｎとした。この結果、この切断材料の歩留まりは９５％であった。
【００３１】
【実施例２】
焼結材から厚みが０．６ｍｍの四角板状の材料をスライス加工によって切断しこれを板状材料とした。そして、この板状材料を縦横の寸法がともに０．４ｍｍになるように切断して切断材料を得た。この場合の切断条件は、実施例１と同一にした。この結果、この切断材料の歩留まりは９８％であった。
【００３２】
【実施例３】
焼結材から厚みが０．６ｍｍの四角板状の材料をスライス加工によって切断しこれを板状材料とした。そして、この板状材料を縦横の寸法がともに０．１ｍｍになるように切断して切断材料を得た。この場合の切断条件は、レーザー発振器の出力を１０ｗとしたこと以外は、実施例１，２と同一にした。この結果、この切断材料の歩留まりは８５％であった。
【００３３】
【比較例１】
インゴットから厚みが１ｍｍの円板状の材料をスライス加工によって切断しこれを板状材料とした。そして、この板状材料を縦横の寸法がともに１ｍｍになるようにダイシングソーを用いて切断して切断材料を得た。この結果、ばりや欠けが発生して不良品と判定された切断材料が多く、この切断材料の歩留まりは５０％であった。
【００３４】
【比較例２】
焼結材から厚みが０．６ｍｍの円板状の材料をスライス加工によって切断しこれを板状材料とした。そして、この板状材料を縦横の寸法がともに０．１ｍｍになるようにダイシングソーを用いて切断して切断材料を得た。この結果、折れの発生が多くこの切断材料の歩留まりは７５％であった。
【００３５】
以上の結果を下記の表１に示している。以上のように、レーザー光を用いて板状材料を切断した場合と、ダイシングソーを用いて板状材料を切断した場合との比較では、レーザー光を用いた場合の歩留まりの方が、ダイシングソーを用いた場合の歩留まりよりも良好な結果がでた。また、インゴットと焼結材との比較では、特に差は認められなかった。さらに、切断材料を細くしたり、太さに対する長さを長くしたりすると欠けや折れが生じやすくなることが分かる。
【００３６】
【表１】

【００３７】
なお、ビスマス・テルル系の材料からなる熱電材料を、溶融・固化したインゴット、またはこれを焼結した焼結材、あるいは超急冷法により得られた熱電材料をホットプレス等の公知のプロセスを経て得た焼結材に対して評価したが、同様の結果が得られた。
【００３８】
また、前述した各実施形態は、適宜変更実施が可能である。例えば、前述した実施形態では、切断用治具２０等を、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、チタンで構成したが、これ以外でも黄銅等、レーザー光を反射しやすくレーザー光の照射によって消耗しにくい材料であれば使用が可能である。また、これらの材料は、支持部２２等の形状に応じて選択することが好ましい。さらに支持部の形状も前述した形状以外の形状に変更することができる。また、切断治具を構成するベース部と支持部とは、一体的に形成してもよいし、別体のものを組みつけて構成してもよい。また、支持部２２等の配置および加工方向についても各実施形態では９０度としていたがチップ形状に応じて、任意の所定角度、任意の方向とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる切断装置の要部を示す概略正面図である。
【図２】図１に示した切断装置の切断用治具を示す正面図である。
【図３】図２に示した切断用治具の一部の支持部を示す斜視図である。
【図４】他の実施形態にかかる切断装置が備える支持部を示す斜視図である。
【図５】さらに他の実施形態にかかる切断装置が備える支持部を示す斜視図である。
【図６】さらに他の実施形態にかかる切断装置が備える切断用治具を示す正面図である。
【符号の説明】
１０…切断装置、１１…回転テーブル、１２…板状材料、１３…加工ヘッド、１４…回転軸、２０，５０…切断治具、２２，３２，４２，５２…支持部、２３…上端面、４３…突起、４４…切欠き部、４５…上端部、５２ａ…下部、５２ｂ…上部。

Claims (6)

1. 平板状の材料を、上方に向かって突出した複数の突起からなる支持部を備えた切断用治具の上端部に設置してレーザー加工することにより所定形状に切断する切断装置であって、前記支持部の上部側部分の幅を下部側部分の幅よりも小さくするとともに、前記各支持部の間隔を前記所定形状に切断された各切断材料が通過できない幅に設定したことを特徴とする切断装置。
2. 前記支持部の側面を傾斜面に形成した請求項１に記載の切断装置。
3. 前記支持部の上部側部分と下部側部分との間を段状に形成した請求項１に記載の切断装置。
4. 前記支持部の上端部を平面状に形成した請求項１ないし３のうちのいずれか一つに記載の切断装置。
5. 請求項１ないし４のうちのいずれか一つに記載の切断装置を用いて平板状の材料を切断する切断方法であって、
   前記材料を前記切断装置の切断用治具の上端部に設置する材料設置工程と、
   前記材料における前記支持部間の隙間に位置する部分にレーザー光を照射しながら前記材料を一方向に切断する一方向切断工程と、
   前記支持部および前記材料を水平面上で所定角度回転移動させる回転移動工程と、
   前記回転移動工程によって回転移動した状態の前記材料おける前記支持部間の隙間に位置する部分にレーザー光を照射しながら前記一方向と所定角をなす他方向に前記材料を切断する他方向切断工程と
   を備えたことを特徴とする切断方法。
6. 前記一方向切断工程および前記他方向切断工程の際に、前記支持部の冷却を行う請求項５に記載の切断方法。

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