JP2009291930A - Wire saw apparatus and cutting method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、サファイアなどの酸化物単結晶材料、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装置およびこれを用いた切断方法に関する。 The present invention relates to a wire saw device for cutting a brittle material such as an oxide single crystal material such as sapphire, a semiconductor material, a magnetic material, and ceramic with a wire, and a cutting method using the same.
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。 Generally, in a wire saw, a plurality of processing rollers are arranged at a predetermined interval, and a plurality of annular grooves are formed at a predetermined pitch on the outer periphery of the rollers, and one wire is interposed between the annular grooves. It is wound in order. Then, along with the rotation of the processing roller, while the wire is running, a slurry containing free abrasive grains is supplied onto the wire, and in this state, the object to be cut is pressed against the wire to contact the object. It is configured to cut.
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。
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、被切断物を効率よく切断するために、15KHz以上の振動数でかつ振幅を3μm以上の振動をワイヤの付与することが好ましいが、補助ローラ凹凸部を設ける構成では難しい。 However, in the wire saw described above, when the wire and the auxiliary roller come into contact with each other, the uneven portion is flattened on the outer periphery of the auxiliary roller, so that the vibration of the wire is reduced. For this reason, frequent replacement of the auxiliary roller is necessary. Further, in order to efficiently cut the object to be cut, it is preferable to apply a vibration with a frequency of 15 KHz or more and an amplitude of 3 μm or more, but it is difficult to provide an auxiliary roller uneven portion.
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。
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。 According to the present invention, since the vibration means for applying vibration to the wire through a minute interval is provided close to the wire row, a sufficient amount of slurry is generated between the wire and the workpiece by the vibration of the wire. It can be supplied and efficient cutting can be performed. Moreover, since the vibration applying means for applying vibration to the wire does not come into contact with the wire, the vibration applying means is not cut or worn by the wire, and the durability can be improved.
上記の特許文献2に記載のワイヤソーにおいては、ワイヤと非接触で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、非接触であるためワイヤの振幅量を調整することは困難である。 In the wire saw described in
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。 In addition, an AC power source for generating a magnetic field has low efficiency and generates heat in an ultrasonic region of 15 KHz or higher, which may increase the temperature of the wire. An increase in the temperature of the wire also causes deterioration of processing accuracy and shortens the life of the wire.
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。 Furthermore, there is a possibility that the wire may come off due to vibration from the annular groove provided on the outer periphery of the roller.
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。 An object of the present invention is to provide a wire saw with high processing accuracy and an improved cutting speed, and a cutting method using the same.
本発明は、遊離砥粒を含むスラリを供給された走行するワイヤまたは、砥粒を固定した走行する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ワイヤソーにおいて、ワイヤに超音波振動子を接合した磁石を接触させ、前記超音波振動子に交流電圧を印加するものである。 The present invention relates to a wire saw that cuts a workpiece by pressing the workpiece against a traveling wire supplied with a slurry containing loose abrasive grains or a traveling wire having abrasive grains fixed thereto. A magnet joined with a sound wave vibrator is brought into contact, and an AC voltage is applied to the ultrasonic wave vibrator.
遊離砥粒を含むスラリを供給された走行するワイヤまたは、砥粒を固定した走行する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ワイヤソーにおいて、ワイヤに磁歪振動子を接触させ、前記磁歪振動子に交流電圧を印加するものである。 In a wire saw that cuts a workpiece by pressing the workpiece against a traveling wire supplied with a slurry containing loose abrasive grains or a traveling wire with fixed abrasive grains, the magnetostrictive vibrator is brought into contact with the wire. Then, an AC voltage is applied to the magnetostrictive vibrator.
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。 By cutting using the wire saw device of the present invention, high-precision and high-speed processing becomes possible, and the wire has a long life.
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。また、ワイヤに超音波振動を印加する手段も図面が複雑になるため省略した。 Hereinafter, an embodiment of a wire saw apparatus according to the present invention will be described with reference to the perspective view of FIG. The
次にワイヤ2に超音波振動を印加する手段を図2の平面図と図3の側面図を用いて説明する。被切断物9と多溝ローラー3b、3cの間のワイヤ2に磁石12を接合した超音波振動子13を接触させる。そして超音波振動子13の振動方向は切断方向と一致させる。 Next, means for applying ultrasonic vibration to the
超音波振動子13はランジュバン型超音波振動子と呼ばれているもので、アルミ合金製のフロントマス14と同じくアルミ合金製のリアマス15の間に圧電セラミック16a、16bを図示しないボルトにより締め付け一体化したものである。磁石12はエポキシ樹脂によりフロントマス14に接合されている。そして燐青銅製の電極はリード線で電気的に結ばれている。そしてリード線の他方は超音波発振器に接続されている。 The
磁石12はネオジウム鉄系の永久磁石である。また、磁石12は電磁石でもよく、電磁石の場合は、電流の大きさにより磁力を調整することができる。 The
ワイヤ2は、磁性体であるので磁石12により吸引される。磁石12は超音波振動子13により超音波振動が与えられているので、ワイヤ2は磁石12に吸引されながら超音波振動する。ワイヤ2と磁石12は超音波振動するので、互いに摩擦力は小さくなるためワイヤ2の磨耗、切断の虞はほとんどない。 Since the
そして、超音波振動子13の振動がほぼそのままワイヤ2に伝播するので、超音波振動子13の振幅量を調整することでワイヤ2の振動振幅を調整することができる。このため、不要に大きい振動をワイヤ2に与えることはない。 Since the vibration of the
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。 Further, a
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11を供給するスラリポンプを有するスラリ供給装置10が設けられている。 A
次に本発明のワイヤソー装置1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。 Next, a method for cutting a sapphire ingot using the
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、図3に示す磁石12を接合したランジュバン型超音波振動子13の圧電セラミック16a、16bに超音波発振器よりの超音波交流電圧を印加する。もし、1台の超音波発振器も用いて多数のランジュバン型超音波振動子を駆動したい場合は、ランジュバン型超音波振動子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。 First, as shown in FIG. 1, a sapphire ingot that is a
さらに、ワイヤ列にスラリ供給装置10を作動させスラリ11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。 Furthermore, the
ここでワイヤ2と接触する磁石12の先端部にワイヤ2に損傷を与えないために図4の側面図で示すようにワイヤ2に比較して硬度が低いフッ素系プラスチック製の摺動板18を接合してもよい。プラスチック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。 Here, in order not to damage the
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2の消耗は少なくなり、かつワイヤ2の切断の恐れも小さくなる。さらに、ワイヤ2と被切断物9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。 The friction between the
また、ワイヤ2の超音波振動により、ワイヤ2と被切断物9との間にスラリ11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9の切断粉及びワイヤ2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。 Further, since the
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。
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。 As described above, by applying ultrasonic vibration to the wire, it is possible to provide a highly reliable wire saw device having a long life, high machining accuracy, and high reliability.
また、超音波振動を発生させる別の手段として磁歪振動子がある。超音波振動を発生させる手段としての磁歪振動子は、非特許文献3に詳しく記述されている。
図5の側面図を用いて、磁歪振動子17によりワイヤ2に超音波振動を付与する例について説明する。磁歪振動子17は、もちろん電磁石にもなるのでワイヤ2を吸引する。そしてもちろん超音波振動もするので、ワイヤ2を吸引すると同時に超音波振動もさせることができる。そして磁歪振動子17のコイルに電流を流さないときには、ワイヤ2も吸引しないので不要なときには、ワイヤ2になんの応力も作用させないのでワイヤ2に全くダメージを与えない。 An example in which ultrasonic vibration is applied to the
ワイヤ2と接触する磁歪振動子17の先端部にワイヤ2に損傷を与えないために図6の側面図で示すようにワイヤ2に比較して硬度が低いフッ素系プラスチック製の摺動板18を接合してもよい。プラスチック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。 In order not to damage the
高強度の芯線の周面上に超砥粒をボンド層(固着層)より固定した固定砥粒ワイヤにも本発明は利用できることはもちろんである。 Of course, the present invention can also be applied to a fixed abrasive wire in which superabrasive grains are fixed on a peripheral surface of a high-strength core wire by a bond layer (adhesive layer).
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。 The wire saw device of the present invention can be used for cutting brittle materials such as semiconductor materials, magnetic materials, and ceramics.
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 スラリ供給装置
11 スラリ
12 磁石
13 超音波振動子
14 フロントマス
15 リアマス
16 圧電セラミック
17 磁歪振動子
18 摺動板DESCRIPTION OF
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