JP2009226573A - 超音波ローラーを用いた超音波ワイヤソー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワイヤが長寿命であり、且つ加工精度が高く、信頼性の高いワイヤソー装置を提供すること。
【解決手段】ワイヤソー装置１は、１本のワイヤ２を巻きつける３個の多溝ローラー３ａ、３ｂ、３ｃを有し、各多溝ローラーに、ワイヤ列を構成し、ワイヤ２をワイヤ駆動モータ４により駆動されるドライブ側多溝ローラー３ａの駆動により往復運動させる。またワイヤを巻き取り、送り出すボビン５ａ、５ｂを持っている。多溝ローラー３ｂ、３ｃは、５個の分割ローラーを配置したものからなっている。隣り合う分割ローラーの間隔は０．２ｍｍの間隔である。回転軸の通る穴の外周に軸方向に貫通するスリットが配置されている。その外周に円環状の圧電セラミックがエポキシ樹脂を用いて接合されている。分割ローラーの表面にはポリエチレン製のローラーリングが設けられる。また、ローラーリングには複数のワイヤをガイドする溝が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、酸化物単結晶材料、半導体材料、磁性材料、セラミック等の脆性材料をワイヤにより切断するワイヤソーに関する。

一般にワイヤソーは、複数の加工用ローラーが所定間隔をおいて配設され、それらのローラーの外周に複数の環状溝が所定ピッチで形成されており、それらの環状溝間には１本のワイヤが順に巻回されている。そして、加工用ローラーの回転にともなって、ワイヤを走行させながら、そのワイヤ上に遊離砥粒を含むスラリを供給し、この状態でワイヤに対し被切断物を押し付け接触させて、被切断物を切断するように構成されている。

このように構成されるワイヤソーにおいては、切断能力を向上させるために各種の提案がなされている。例えば、特許文献１においては、外周に凹凸部を有した補助ローラーを被切断物近傍のワイヤに接触するように設け、このローラーの回転によりワイヤに対して直接上下に振動を付与するようにしている。
特開平８−９９２６２号公報

しかしながら、上に述べたワイヤソーにおいては、ワイヤと補助ローラーが接触することにより、補助ローラーの外周に凹凸部が平坦化するためワイヤの振動は小さくなってしまう。このため、補助ローラーの頻繁な交換が必要である。また、被切断物の材質、形状等に応じてワイヤの振動数や振幅を調節するのが好ましいが、補助ローラーで振動を与える構成では、補助ローラーが装置の一部であるため、補助ローラー単独でこのような調節を行うことは難しい。

そこで特許文献２のワイヤソーが提案された。このワイヤソー装置は、一対の磁界発生器を被切断物の加工域におけるワイヤ進行方向両側に設ける。そして、磁界発生器に対して、所定の駆動出力を供給し、磁界発生器を動作させて、ワイヤを間欠的に吸引し、ワイヤに対して上下振動を付与する。
特開２００１−６２７００号公報

この発明によれば、ワイヤ列に近接し、微少間隔を介してワイヤに振動を付与する振動手段が設けられるため、ワイヤの振動により、ワイヤと被切断物との間に十分な量のスラリを供給することができ、効率的な切断加工を行うことができるとされている。しかも、ワイヤに振動を付与する振動付与手段がワイヤと接触しないため、その振動付与手段がワイヤによって切断されたり、磨耗されたりすることがなく、耐久性を向上させることができるとされている。

上記の特許文献２に記載のワイヤソーにおいては、交流電源から磁界発生器によりワイヤに交番する振動力を印加するものであるが、例えば０．１２ｍｍ直径のような細いワイヤには、十分な超音波振動を励起することは困難である。

また、磁界発生を発生させるための交流電源は、１５ＫＨｚ以上の超音波領域では、効率が低く熱を発生させるのでワイヤの温度を上昇させる虞がある。ワイヤの温度上昇は加工精度の悪化そしてワイヤの寿命を短くすることの原因にもなる。

さらに、ローラーの外周に設けられた環状溝から、ワイヤが振動により外れてしまう虞がある。

本発明の目的は、加工精度が高くかつ、切断速度を向上させることができるワイヤソーおよびこれを用いた切断方法を提供することである。

本発明は、回転軸に取り付けたローラーの内周部にスリット、溝、孔などの空間部を設け、その外周に圧電セラミックを接合し、前記圧電セラミックに１５ＫＨｚ以上の電圧を印加する超音波ローラーとするものである。

本発明はまた、前記超音波ローラーの外周にワイヤと接する有機材料からなる層を設けるワイヤソー装置とするものである。

本発明のワイヤソー装置を用いた切断加工により、高精度かつ高速加工が可能となり、さらにワイヤが長寿命となる。

以下、本発明に関わるワイヤソー装置の実施の形態について図１の斜視図を用いて説明する。ワイヤソー装置１は、１本のワイヤ２を巻きつける３個の多溝ローラー３ａ、３ｂ、３ｃを有し、各多溝ローラーに、例えば約１２０ミクロンの直径を有するワイヤ２を巻き付けるワイヤ列を構成し、このワイヤ列のワイヤ２をワイヤ駆動モータ４により駆動されるドライブ側多溝ローラー３ａの駆動により往復運動させるようになっている。またワイヤ２を巻き取り、送り出すボビン５ａ、５ｂを持っている。多溝ローラー３ａ、３ｂ、３ｃの表面に設けられた複数の溝は図面の都合上省略した。

被切断物９のワイヤ方向の前後に配置された多溝ローラー３ｂ、３ｃ等を図２の斜視図を用いて示す。多溝ローラー３ｂ、３ｃの表面はポリエチレン製のローラーリング１４で覆われている。ポリエチレン製のローラーリング１４は、分割されていないので、スラリー液は、分割ローラー１０の内部には浸透しない。ポリエチレン製のローラーリング１４には複数のワイヤ２をガイドする溝が設けられている。ローラーリング１４の中には５個の分割ローラー１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅが図３の平面図に示すように回転軸１５に取り付けられている。そして隣り合う分割ローラー１０の間隔は０．２ｍｍの間隔である。

回転軸１５は、軸受け１６により回転自在に支持されている。そして軸受け１６はローラー支持台１７に取り付けられている。また、ローラー支持台１７には固定側のロータリートランス２１ａも取付けられている。回転軸１５には回転側のロータリートランス２１ｂが固定されている。回転側のロータリートランス２１ｂと分割ローラー１０に接合された圧電セラミック２０の電極は図示しないリード線で電気的に結ばれている。

また、ワイヤ列に対向する上方には、送りモータ６を有し被切断物９を送るフィードユニット７が設けられており、このフィードユニット７のカーボンベース８に接着された被切断物９、例えばサファイアインゴットをワイヤ列に押し付けて研磨切断するようになっている。

超音波ローラーである多溝ローラー３ｂ、３ｃと被切断物９の間のワイヤ列にスラリ１３を供給するスラリポンプを有するスラリ供給装置１２が設けられている。

図４の平面図そして図４のＡ−Ａ線での断面を示す図５で分割ローラー１０を詳細に示す。ステンレス製の分割ローラー１０は、回転軸１５の通る穴の外周に回転軸１５方向に貫通するスリット１１が配置されている。そしてその外周に円環状の圧電セラミック２０ａ、２０ｂがエポキシ樹脂を用いて接合されている。分割ローラー１０が回転軸方向の振動を小さくし、径方向に効率よく振動する振動モードには、直径Ｄは幅Ｗの２倍以上が必要である。

スリット１１は圧電セラミック２０の超音波振動を回転軸１５方向に伝播させないで、かつスリット１１より外周部だけに超音波振動を励起するためのものである。スリット１１の空間は圧電セラミック２０が発生させた超音波振動を反射するものであり、理想的には全周にあることが望ましいが、構造的にスリット１１で分割されてしまうため不可能である。したがって、スリット１１を径方向に２重にすることで、構造的に分割しないで、かつほぼ全周にわたり超音波振動を反射することができる。

ここで多溝ローラー３ｂ、３ｃは、超音波振動を発生するので超音波ローラーと呼ぶ。

次に本発明のワイヤソー装置を用いたサファイアインゴットの切断方法について説明する。

最初に、図１に示すように、被切断物９であるサファイアインゴットをカーボンベース８に接着する。ワイヤ駆動モータ４を回転させて、ワイヤ列を高速で動かし、そして図２に示す固定側のロータリートランス２１ａ、回転側のロータリートランス２１ｂを介して超音波ローラーである多溝ローラー３ｂ、３ｃの各々の分割ローラー１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅの圧電セラミック２０に超音波発振器よりの超音波交流電圧を印加する。この際分割ローラー１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅのそれぞれの固有振動数が異なるため、固有振動数の最小、最大値を含むスイープ周波数の電圧を印加するとよい。

さらに、ワイヤ列にスラリ供給装置１２を作動させスラリ１３を供給し、送りモータ６を回転させてサファイアインゴットをワイヤ列に接触させ、切断を開始し、切断を継続する。

ワイヤ２と接触する超音波ローラーである多溝ローラー３ｂ、３ｃと多溝ローラー３ａのローラーリング１４はワイヤに損傷を与えないためにワイヤに比較して硬度が低いプラスチック製とした。ローラーリング１４の消耗が大きいときは、例えば炭素繊維複合材料のような繊維によりプラスチックを強化した複合材料が適している。

多溝ローラー３ａ、３ｂ、３ｃの表面層のローラーリング１４には溝が設けられている。この溝にはワイヤ２が通るが、超音波振動の効果により、ワイヤ２と溝との摩擦力は小さくなる。それ故、装置コストは大きくなるが、多溝ローラー３ｃも超音波ローラーにすることが望ましい。したがって、摩擦によるワイヤと溝の損傷は小さくなる。

分割ローラー１０の圧電セラミック２０に超音波発振器より約２５ＫＨｚの超音波交流電圧を固定側のロータリートランス２１ａ、回転側のロータリートランス２１ｂを介して印加すると、ローラーリング１４の半径方向に沿ってワイヤ２は５ミクロン以上、上下に振動する。ワイヤ２の振幅量の調整は、超音波交流電圧の大きさ又は超音波発振周波数を変えることにより簡単に行うことができる。

ローラーリング１４の振動をワイヤ２に伝達するので、ワイヤ２とローラーリング１４の距離はほとんどない。したがって、ローラーリング１４の溝からワイヤ２は外れることが無い。

ワイヤ２の超音波振動により、ワイヤ２と被切断物との摩擦が減少することにより、ワイヤの消耗は少なくなり、かつワイヤの切断の恐れも小さくなる。さらに、ワイヤと被切断物との摩擦熱が小さくなるため、加工精度も向上する。そして、また超音波振動の効果により切断速度が向上する。

また、ワイヤの超音波振動により、ワイヤと被切断物との間にスラリが十分供給されるので、切断速度が向上する。さらに、被切断物の切断粉及びワイヤの消耗粉などが速やかに排除されるため加工精度は向上し、切断速度も向上する。

なお超音波切削加工は、例えば、非特許文献１に詳しく記載されている。超音波切削加工は、加工対象物と工具との摩擦抵抗が、小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして、切削工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。そして、加工速度が倍以上になることも非特許文献２に詳しく記載されている。
超音波便覧編集委員会、「超音波便覧」、丸善株式会社、平成１１年８月、ｐ６７９−６８４ 日本電子機械工業会、「超音波工学」、株式会社コロナ社、１９９３年、ｐ２１８−２２９

上記のように、ワイヤに超音波振動を付与することによりワイヤが長寿命であり、加工精度の高い、信頼性の高いワイヤソー装置を提供できる。

上記では、スリット１１により超音波振動を反射させたが、図６の斜視図で示すように貫通する複数の孔１８を持つ構成でも良いことは当然である。分割ローラーの中心に対して３６０度反射させるために複数の孔は、２重以上が望ましい。

さらに図７の斜視図で示す発泡金属１９または多孔質金属を用いても超音波振動を反射させることができる。

また図８の斜視図で示す円周状の溝２２を用いても超音波振動を反射させることができる。そして、溝を同心円状に２重以上にしてもよい。

ここでは、多溝ローラー３ｂ、３ｃを超音波ローラーとしたが、多溝ローラー３ｂ、３ｃの内側に補助ローラーを設け、これを超音波ローラーとしてもよい。

本発明の超音波ローラーを用いることによりワイヤにダイヤモンドを電着した固定砥粒方式のワイヤにおいても同様の効果が得られる。

さらにワイヤに目標とする超音波振動の大きさに調整するため、ワイヤの超音波振動を非接触振動センサを用いることが望ましい。

本発明のワイヤソー装置は、半導体材料、磁性材料、セラミック等の脆性材料を切断することに用いることができる。

本発明の構成のワイヤソー装置を示す斜視図である。 超音波ローラーを示す斜視図である。 超音波ローラーの一部を示す側面図である。 分割ローラーを示す平面図である。 図４のＡ−Ａ線での断面を示す図である。 複数の孔を持つ分割ローラーを示す斜視図である。 発泡金属を持つ分割ローラーを示す斜視図である 溝を持つ分割ローラーを示す斜視図である

符号の説明

１ ワイヤソー装置
２ ワイヤ
３ 多溝ローラー
４ ワイヤ駆動モータ
５ ボビン
６ 送りモータ
７ フィードユニット
８ カーボンベース
９ 被切断物
１０ 分割ローラー
１１ スリット
１２ スラリ供給装置
１３ スラリ
１４ ローラーリング
１５ 回転軸
１６ 軸受け
１７ ローラー支持台
１８ 孔
１９ 発泡金属
２０ 圧電セラミック
２１ ロータリートランス
２２ 溝

Claims (2)

1. 回転軸に取り付けたローラーの内周部にスリット、溝、孔などの空間部を設け、その外周に圧電セラミックを接合し、前記圧電セラミックに１５ＫＨｚ以上の電圧を印加することを特徴とする超音波ローラー。
2. 前記超音波ローラーの外周にワイヤと接する有機材料からなる層を設けることを特徴とするワイヤソー装置である。

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