JP2006123055A - 超砥粒ワイヤソーによる加工材の切断方法および超砥粒ワイヤソーにより切断加工された加工材 - Google Patents

Abstract

【課題】
超砥粒ワイヤソーによる切断方法において、シリコン、光学ガラス、石英ガラス、セラミックス、水晶、サファイヤ、フェライトおよびネオジウム磁石等を高精度に切断加工することである。
【解決手段】
超砥粒ワイヤソーの未使用砥粒層部がダミー材を一回以上パスして切断した後で、加工材を切断加工する。ダミー材は、加工材の材質と同等か、加工材よりも切断加工し易い材料で、ダミー材の長さは、加工材の長さの５％以上であることが好ましい。未使用砥粒層部がダミー材を１回以上パスして、ダミー材を切断した後で、加工材を切断加工すると、加工材のウネリが少なくなり、高精度な加工材が得られる。
【選択図】図１

Description

この発明は、固定粒方式の超砥粒ワイヤソーによる、シリコン、光学ガラス、石英ガラス、セラミックス、水晶、サファイヤ、フェライトおよびネオジウム磁石等の切断加工に
関するものであり、特に、シリコン、水晶、セラミックスおよびサファイヤ等の加工材を高精度に切断加工する方法に関する。

従来、シリコンインゴットをスライシングしてシリコン加工材を得るためには、主としてダイヤモンド内周刃が使用されてきた。しかしながら、シリコンインゴットの直径が大きくなることに伴い、ダイヤモンド内周刃を用いてシリコンインゴットをスライシングすることが困難になってきた。また、シリコンインゴットのスライシング工程において、歩留まりの向上、生産性の向上、加工変質層の低減が要求されるようになってきた。このため、遊離砥粒と加工液を混合したスラリーをワイヤに供給する、マルチワイヤソー方式と呼ばれるスライシング加工が多く用いられるようになってきた。

このマルチワイヤソー方式は、ワイヤのガイドである溝付きメインローラの間隔を調整することにより、大きな直径のシリコンインゴットのスライシングにも適用することが可能である。また、マルチワイヤソー方式は、一度に２００枚以上の加工材をスライシング加工することが可能な方法である。しかしながら、マルチワイヤソー方式では、スラリーを用いるため、加工速度がダイヤモンド内周刃に比べて遅いことが問題となっている。また、マルチワイヤソー方式では、スラリーと切り粉の混合物であるスラッジが大量に発生するため、加工材を洗浄する必要があり、製造コストが高くなるという問題があった。さらに、スラッジが機械とその周辺を汚染し、作業環境を著しく害するという問題もあった。

これらの問題点を解決するために、芯線にダイヤモンド砥粒を固着した、固定砥粒方式のダイヤモンドワイヤソーを用いてシリコンインゴットをスライシング加工することが提案されている。このダイヤモンドワイヤソーは、切れ味が極めて良好であり、スラリーが不要であり、水溶性または不水溶性の加工液を用いることができるため、機械とその周辺の汚染を低減することができ、作業環境を改善することができるという利点を有する。また、数百ｍまたは数十ｋｍ以上の長尺のダイヤモンドワイヤソーを製作することができるので、多くの枚数の加工材を一度でスライシング加工することが可能であるので、スラリーを用いるマルチワイヤソー方式に比べて数倍以上の切断速度を得ることができる。

固定砥粒方式のダイヤモンドワイヤソーは、例えば、ポリエチレン、ナイロン、ポリエステル等からなる素材、またはこれらの素材をガラス繊維、炭素繊維で補強した材料を芯線とし、この芯線の外周にダイヤモンド砥粒を合成樹脂接着剤または電着で固着したものである。（例えば、特許文献１参照）

また、別のダイヤモンドワイヤソーとしては、炭素繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、シリコンカーバイド繊維、もしくはシリコン−チタン−炭素−酸素系無機繊維等のモノフィラメントまたはマルチフィラメントを芯線とし、この芯線の外周にダイヤモンド砥粒をめっきまたは合成樹脂バインダで固着したものである。（例えば、特許文献２参照）

また、超砥粒ワイヤソーによって加工材を高精度に切断する方法については、加工材をＬ字形のダミー材と共に切断するものが公知である。加工材をＬ字形のダミー材にのせ、加工材に作用する切断抵抗をダミー材の側板部で支持しつつ、切断力を側板部で受け止めることにより、該ダミー部材の底板上の加工材を接着することなしに静止安定させることができるので、加工材の接着固定を不要とするものである。尚、該発明の限定条件として、必然的にワイヤの走行方向は側板が切断力を受け止める向きの一方向に限定される。即ち、側板は加工材の後端側に位置させる必要がある。（例えば、特許文献３参照）

また別の、超砥粒ワイヤソーによって加工材を高精度に切断する方法については、グローブローラ間の距離を小さくする手段として、シリコンインゴットのような円柱状の加工材を切断する場合、ガイドプレートによる案内を受けながらテンションローラが加工材の外径に沿って移動し、ワイヤが常にテンションローラと加工材との間で一定の距離を保ちつつ、ワイヤに張力を付与する優れた発明である。しかし、市販のワイヤソー装置をそのまま使用することができず、特別な装置を取り付ける改良を行う必要があるものである。（例えば、特許文献４参照）

さらに別の、超砥粒ワイヤソーによって加工材を高精度に切断する方法については、ワイヤ走行方向に対し加工材の前後両端面に接触させてダミー材を張り付け、ダミー材と共に加工材を切断する方法である。これにより、超砥粒ワイヤソーがメインローラから加工材に至る間隔Ｌを、ダミー材の厚み分だけ減少させることができる。ダミー材の厚みは、厚くする程、その分、ワイヤが加工材（ダミー材）に至る間隔が短くなり、超砥粒ワイヤソーの振れや振動を小さくすることができる。加工材の切断が開始されるまでにワイヤ走行が規制され、ガイドされることになり、より高精度の切断ができるものである。（例えば、特許文献５参照）
特開平８−１２６９５３号公報 特開平９−１５５６３１号公報 特開平５−９６４６１号公報 特開平１１−４２５４８号公報 特開平２００３−１１０５２号公報

解決しようとする問題点は、超砥粒ワイヤソーによる切断方法において、シリコン、光学ガラス、石英ガラス、セラミックス、水晶、サファイヤ、フェライトおよびネオジウム磁石等を高精度に切断加工することである。

本発明は、超砥粒ワイヤソーによる加工材の切断方法であって、超砥粒ワイヤソーの未使用砥粒層部がダミー材を１回以上パスして切断した後で、加工材を切断加工する、超砥粒ワイヤソーによる切断方法である。

本発明において、加工材の材質は、シリコン、サファイヤ、石英ガラス、水晶、ガラス、光学ガラス、セラミックスであることを特徴とする、超砥粒ワイヤソーによる切断方法である。

この発明において、超砥粒ワイヤソーは、芯線の表面に超砥粒を結合材により固着した超砥粒ワイヤソーであることを特徴とする、超砥粒ワイヤソーによる切断方法である。

この発明のにおいて、ダミー材は、加工材の材質と同等か、加工材よりも切断加工し易い材料であることを特徴とする、超砥粒ワイヤソーによる切断方法である。

この発明において、ダミー材の長さは、加工材の長さの５％以上であることを特徴とする、超砥粒ワイヤソーによる切断方法である。

この発明において上記の切断方法により、切断加工された加工材であって、加工材のウネリが５０μｍ以下であることを特徴とする、超砥粒ワイヤソーによって切断加工された加工材である。

本発明の超砥粒ワイヤソーは、切れ味に優れるので、各種材料を高精度、かつ高能率で切断加工することができる。特に、加工材をウネリが少なく、高精度に切断加工できる。

本発明は、超砥粒ワイヤソーによる加工材の切断方法であって、超砥粒ワイヤソーの未使用砥粒層部がダミー材を一回以上パスして切断した後で、加工材を切断加工する、超砥粒ワイヤソーによる切断方法である。未使用砥粒層部がダミー材を１回以上パスして、ダミー材を切断した後で、加工材を切断加工すると、加工材のウネリが少なくなり、高精度な加工材が得られる理由は以下のことだと考えられる。すなわち、未使用砥粒層部は砥粒の突出端の高さにバラツキがある。これは、砥粒の粒径のバラツキによるものと、結合材に十分に埋没していない砥粒によるもので主であるが、ダミー材を一回以上パスすることにより砥粒の突出端の高さのバラツキが小さくなり、有効に作用する砥粒数が増加して、高精度に切断加工することが可能になると推定される。

ここで超砥粒としては、あらゆる粒径の超砥粒を適用することが可能である。特に、シリコンインゴット、光学ガラス、セラミックス、水晶、フェライト、ネオジウム磁石等の精密切断に超砥粒ワイヤソーを用いる場合には、粒径が５μｍ以上２００μｍ以下の超砥粒を用いるのが好ましく、５μｍ以上１５０μｍ以下の超砥粒を用いるのがより好ましい。

また、超砥粒を保持する結合材としてはレジンボンドを用いるのが好ましい。レジンボンドとして適用できる樹脂としては、弾性率、軟化温度、成形性、物理的特性の観点から、アルキド樹脂、フェノール樹脂、ホルマリン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリエステルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエステルウレタン樹脂、ビスマレイミド樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、シアナトエステル樹脂、ポリエーテルイミド、ポリパラバン酸、芳香族ポリアミドなどが好ましい。

また芯線としては鋼線が好ましく、容易に極細線に仕上げることができ、強度が高いピアノ線が最も好ましい。ピアノ線はそのままでも使用することができるが、保管を容易にし、かつレジンボンドの密着性を良好にして超砥粒の保持力を高めるためには、ピアノ線に銅めっきまたはブラスめっき等の表面処理を施すことが好ましい。

その他の材質の芯線としては、炭素繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維のいずれか１種の単線または撚り線を用いることができる。または、炭素繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維のうち２種以上の繊維を混合して撚り線としたものも用いることができる。さらに、これらの撚り線に鋼線を加えた撚り線を芯線として用いることも可能である。

結合材には、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、または超硬合金のいずれか１種類または２種類以上の粒子を含有するのが好ましい。結合材層の強度と耐摩耗性を改善して、超砥粒ワイヤソーの寿命、加工能率および切断性能を向上させる目的として、これらの粒子を含有させることは極めて効果的である。これらの粒子の中でも、硬質なものほどその効果が大きく、結合材には、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、炭化ケイ素などを含有させることがより好ましく、ダイヤモンドを含有させることが最も好ましい。

この発明の超砥粒ワイヤソーは、一例として図１に示される切断装置に用いることができる。超砥粒ワイヤソー切断装置は、多数本の超砥粒ワイヤソーを加工材に押しつけて超砥粒ワイヤソーを往復走行させながら、加工材を一度に多数枚にスライシングする装置である。大きな直径のシリコンインゴットからのシリコン加工材のスライシングや、フェライト、ネオジウム磁石等の磁性材料の切断加工、光学ガラスの切断加工等に超砥粒ワイヤソー切断装置を用いることが試行されている。

具体的には図１に示すように、メインローラ５と６の外周面には加工材の切断寸法に応じて溝が設けられている。超砥粒ワイヤソー１はリール２と９の外周面に巻かれている。一方のリール２からガイドローラ３と４を経由して取り出された超砥粒ワイヤソー１は、メインローラ５と６の溝に順次巻き付けられ、ガイドローラ７と８を経由して、他方のリール９に巻き取られる。超砥粒ワイヤソー１の張力は、左右に配置されたメインローラ５と６のトルクにより所定の値に設定される。超砥粒ワイヤソー１をリール２と９との間で往復走行させながら、多数本の超砥粒ワイヤソー１を加工材１０に押しつけて加工材１０を一度に多数枚にスライシング加工する。このとき、メインローラ５と６の溝にはノズル１１と１２から加工液が供給される。

ダミー材は、加工材の材質と同等か、加工材よりも切断加工し易い材料であれば特に材質には限定されない。ダミー材としては、鋼、銅、真鍮などの金属材料の他、セラミックス、砥石、ガラスなどを用いることができる。

ダミー材を１回以上パスする際のダミー材の長さは、加工材の長さの５％以上であるとウネリが少なくなり、切断精度の向上に有効である。ここで、ダミー材の長さは加工材の材質、要求切断精度、加工液の種類、加工液の流量、超砥粒ワイヤソーの超砥粒の粒度、超砥粒の集中度、結合材の種類、超砥粒ワイヤソーの走行速度、切り込み速度などによって最適条件を設定する。ダミー材の長さは、加工材の長さの７％以上であることが好ましく、１０％以上であることがより好ましい。

フェノール樹脂塗料（昭和高分子製、ＢＲＰ−５４１７）６５容量％と、粒径４０〜６０μｍ（平均粒径４２μｍ）のニッケル被覆ダイヤモンド砥粒（トーメイダイヤ株式会社製、ＩＲＭ−ＮＰ）６．５容量％と、平均粒径２．６μｍのダイヤモンド３０容量％を均一に混合した。さらに、この混合物に溶剤のクレゾールを加えて、塗料中の溶剤量を５０容量％とした。次に、この砥粒分散溶解液を外径０．１８ｍｍの銅めっきピアノ線に塗布し、この塗布された銅めっきピアノ線を内径０．２８ｍｍのダイスに通した後、炉内温度３００℃の焼き付け炉で焼き付け硬化させてダイヤモンドワイヤソーを製造した。得られたダイヤモンドワイヤソーの外径は０．２４ｍｍであり、焼き付け硬化により形成されたレジンボンド層の厚みは約２０μｍであった。

このダイヤモンドワイヤソーを図１に示す切断装置に取付けて、１００ｍｍ角、長さ１００ｍｍのシリコンインゴットをスライシング加工して加工材とし、性能調査を行なった。ダミー材には、ソーダガラスを用い、ダミー材の長さは、加工材の長さの５％とした。切断装置のメインローラ５と６は、外径が２００ｍｍ、幅が１８０ｍｍであり、１．２１ｍｍの溝ピッチで１２３本の溝が外周面に設けられたものである。リール２と９には、０．６ｍｍの巻きピッチでダイヤモンドワイヤソーが５０ｋｍの長さ分、巻かれている。スライシング条件は、ダイヤモンドワイヤソーの線速度を８００ｍ／分、切込み速度を２ｍｍ／分、張力を２９Ｎ、水溶性加工液の供給を３０リットル／分とした。加工材を取り出して、うねりを測定したところ、ろ波最大うねり（Ｗ_ＣＭ）が３７μｍであった。

比較例１

実施例１と同様の方法でダイヤモンドワイヤソーを製造し、ダミー材を用いないで、実施例１と同様の性能調査を行ったところ、比較例１の加工材のろ波最大うねりは６８μｍであった。

比較例２

実施例１と同様の方法でダイヤモンドワイヤソーを製造し、ダミー材の長さは、加工材の長さの４％とした。実施例１と同様の性能調査を行ったところ、比較例２の加工材のろ波最大うねりは６２μｍであった。

比較例３

実施例１と同様の方法でダイヤモンドワイヤソーを製造し、ダミー材の長さは、加工材の長さの２％とした。実施例１と同様の性能調査を行ったところ、比較例３の加工材のろ波最大うねりは６５μｍであった。

本発明の一実施例を示す概念図である。 図１のダミー材と加工材の拡大図である。 別の実施例のダミー材と加工材の拡大図である。 また別のダミー材と加工材の拡大図である。 さらに別のダミー材と加工材の拡大図である。

符号の説明

１ 超砥粒ワイヤソー
２ 未使用の超砥粒ワイヤソーが巻かれたリール
３，４，７，８ ガイドローラ
５，６， メインローラ
９ 巻き取り側リール
１０，１５，１７，１９ 加工材（工作物）
１１，１２ ノズル
１３，１６，１８，２０ ダミー材
１４ 加工材を固定するテーブル

Claims (6)

1. 超砥粒ワイヤソーによる加工材の切断方法であって、
   超砥粒ワイヤソーの未使用砥粒層部がダミー材を１回以上パスして切断した後で、加工材を切断加工する、超砥粒ワイヤソーによる切断方法。
2. 上記加工材の材質は、シリコン、サファイヤ、石英ガラス、水晶、ガラス、光学ガラス、セラミックスであることを特徴とする、請求項１記載の超砥粒ワイヤソーによる切断方法。
3. 上記超砥粒ワイヤソーは、芯線の表面に超砥粒を結合材により固着した超砥粒ワイヤソーであることを特徴とする、請求項１または２記載の超砥粒ワイヤソーによる切断方法。
4. 上記ダミー材は、加工材の材質と同等か、加工材よりも切断加工し易い材料であることを特徴とする、請求項１〜３に記載の超砥粒ワイヤソーによる切断方法。
5. 上記のダミー材の長さは、加工材の長さの５％以上であることを特徴とする、請求項１〜４に記載の超砥粒ワイヤソーによる切断方法。
6. 上記請求項１〜５に記載の切断方法により、切断加工された加工材であって、
   加工材のウネリが５０μｍ以下であることを特徴とする、超砥粒ワイヤソーによって切断加工された加工材。

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