JP2011031355A - マルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの切断に用いられるマルチワイヤソーのワイヤの断線の予兆を検知するようにしたマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置を得る。
【解決手段】スラリ供給弁４からスラリが供給され、シリコンインゴッドのワーク３を切断中のワイヤ１の反射光をビジョンセンサ５によって撮像し、この撮像された画像をワイヤ異常検知部１２により、グレイレベル化し、このグレイレベル化された画像を解析し、平均値と標準偏差が設定閾値内であり、かつグレイレベルの強度が閾値を超えたとき、ワイヤの乱れ線として検出するとともに、この検出された乱れ線を時系列に蓄積して出現頻度が閾値を超えたとき、断線の予兆と判断して、ワイヤによる切断作業を制御する加工制御装置２０へ制御信号を出力して、断線を予防するようにした。
【選択図】図４

Description

この発明は、シリコンインゴッドの切断に用いられるマルチワイヤソーのワイヤ断線を予防するマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置に関するものである。

近年、太陽光発電は、地球温暖化防止に向けた温暖化ガス排出を抑えられるクリーンエネルギーとして、国際的に需要が拡大している。太陽光発電は、モジュールと呼ばれるパネルにより構成されるが、一枚のモジュールは太陽電池セルと呼ばれる太陽電池素子を複数枚まとめて構成される。そのセルは、多結晶または単結晶シリコンインゴッドを１５ｃｍ角程度、厚み数百μｍ程度に切断、薄板化し、その後、半導体プロセスにより製作される。
このシリコンインゴッドの切断は、一般的にマルチワイヤソーを用いて行われる。ワイヤソーは、数百本以上の多数巻かれた細いワイヤとスラリ（研磨剤）を用い、同時にしかも多量にラップ切断する精密加工切断機のことであり、ワイヤソーの特長として、「切代が小さいので材料歩留まりが良い」、「超薄板に切断出来る」、「チッピングやバリが極めて少ない」、「加工変質層が極めて少ない」、「一度に大量に切断でき、効率が良い」などがある。
シリコンインゴッドは、素材そのものが、非常に高価であるため、ワイヤ径を細くすることにより切代を小さくし、材料歩留まりを上げる必要がある。また、一回の加工時間が数時間以上かかるため、加工時間を短くするため、効率のいいスラリの使用や、ワイヤ速度の高速度化による切断時間短縮が求められている。
特許文献１には、砥粒を固着したワイヤにおいて、砥粒の間隔、個数より砥粒の分布状態を測定し、ワイヤの切断性能を測定する検査方法およびその検査装置を備えた切断装置が記載されている。

特開２００５−３７２２１号公報（第４〜７頁、図１）

しかし、ワイヤ径の細線化がすすめば、ワイヤの破断強度は相対的に低下するため、切断時のストレスによるワイヤの断線が発生する可能性が高まる。
マルチワイヤソーでは、一旦断線が発生すると、ワイヤの交換作業に数時間を要するなど復旧に多くの時間がかかり、設備稼働率が低下する。また、切断によるストレスによりシリコンインゴッドの切断面に、品質の劣化を引き起こすため、再度ワイヤを張って切断を再開しても、良品を得られない等の問題がある。すなわち、ワークの歩留まりが低下する。
そのため、ワイヤの断線の予兆を検知し、予兆が見られた場合に断線を回避する制御が重要である。しかし、ワイヤ張力の変動や、ワイヤに流した電流・電圧値等を用いて、正確な断線検知の技術は開発されてきているが、断線の予兆を検知することは困難であり、断線を回避する制御は実現できていなかった。

特許文献１の検査方法は、砥粒を固着するワイヤの製造過程にて発生したバラツキを測定することを目的としており、切断中のワイヤ状態の検出ではない。
また、切断装置での検査は、切断が終わったワイヤに対して行っている。しかしワイヤの断線は、切断が実際に行われる場合に発生するため、切断が終わった後のワイヤに対して検査を実施しても、断線を予知することは不可能である。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、ワークの切断に用いられるマルチワイヤソーのワイヤの断線の予兆を検知するようにしたマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置を得ることを目的にしている。

この発明に係わるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置においては、
ワークの切断に用いられるマルチワイヤソーの断線を予防するマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置であって、
ワークを切断中のワイヤを撮像するように配置されたビジョンセンサ、
このビジョンセンサによって撮像された画像をグレイレベル化するグレイレベル化手段、
このグレイレベル化手段によってグレイレベル化された画像を解析してワイヤの乱れ線を検知する乱れ線検知手段を備えたものである。

この発明は、以上説明したように、ワークの切断に用いられるマルチワイヤソーの断線を予防するマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置であって、
ワークを切断中のワイヤを撮像するように配置されたビジョンセンサ、
このビジョンセンサによって撮像された画像をグレイレベル化するグレイレベル化手段、
このグレイレベル化手段によってグレイレベル化された画像を解析してワイヤの乱れ線を検知する乱れ線検知手段を備えたので、ワイヤの断線の予兆を検知することができる。

この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置に用いられるマルチワイヤソーを示す外観図である。 この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置に用いられるマルチワイヤソーの正常時及びワイヤ乱れ発生時のワイヤ状態を示す図である。 この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置のスラリ塗布中のワイヤ状態を説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置のワイヤ異常検知部の内部構成の詳細を示す構成図である。 この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置のワイヤ乱れにおける取得画像を示す模式図である。 この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置の乱れ線のグレイレベル化を示す図である。 この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置の乱れ線検知手段の処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置の乱れ線の時系列状況を示す図である。 この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置の断線予兆検知手段の処理を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置に用いられるマルチワイヤソーを示す外観図である。
図１において、ピアノ線からなる、数百本を超える多数のワイヤからなるワイヤ列１は、ガイドローラ２に巻回され、ローラの回転により走行する。ワイヤ列１上にはシリコンインゴットのワーク３が配置され、ワーク３を垂直方向に切断する。この切断に当っては、スラリ供給弁４からスラリが供給される。ビジョンセンサ５は、ワイヤ列１の状態を監視するために配置されたＣＣＤカメラである。照明器具６は、ビジョンセンサ５の監視部にて、ワイヤ乱れ発生時のワイヤ反射光を観測するために設けられている。

図２は、この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置に用いられるマルチワイヤソーの正常時及びワイヤ乱れ発生時のワイヤ状態を示す図である。
図２（ａ）は正常時におけるワイヤ状態を示す図であり、図２（ｂ）はワイヤ乱れ発生時におけるワイヤ状態を示す図である。
図２において、２は図１におけるものと同一のものである。ワイヤ８は所定位置にある正常な状態のワイヤであり、ワイヤ９は、所定位置からはずれた状態のワイヤである。図２（ａ）では、ワイヤ８はガイドローラ２の所定位置である溝部にそれぞれ収まっている。図２（ｂ）では、ワイヤ９はガイドローラ２の凸部を越えて隣接する溝部に移動しているワイヤ乱れの状態である。

図３は、この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置のスラリ塗布中のワイヤ状態を説明するための模式図である。
図３（ａ）は正常時のスラリ塗布中のワイヤ状態を示す図であり、反射光が得られない状態、図３（ｂ）はワイヤ乱れ発生時のスラリ塗布中のワイヤ状態を示す図であり、反射光を得られる状態である。
図３において、５、８、９は図１におけるものと同一のものであり、図３（ａ）ではワイヤ８はスラリ膜７に覆われており、図３（ｂ）では、一部のワイヤ９がスラリ膜７から飛び出している。反射光を観測してワイヤ乱れを検出する。

図４は、この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置を示す構成図である。
図４において、１〜６は図１におけるものと同一のものである。
図４で、マルチワイヤ断線予防装置１０は、記憶装置を備えたコンピュータにより、次のように構成されている。
画像処理部１１は、ビジョンセンサ５から取得した映像を画像処理する。ワイヤ異常検知部１２は、画像処理部１１によって画像処理された映像からワイヤ異常を検知するソフトウェアである。ワイヤ異常検知部１２の検知結果は、加工制御装置インタフェース部１３に伝えられる。加工制御装置インタフェース部１３は、ワークの送り速度を制御するためのワーク送り速度信号と、ワイヤ速度を制御するためのワイヤ速度信号と、ワイヤ異常の判定結果を示すワイヤ異常判定信号を、加工制御装置２０に送信する。
なお、上述では、ワイヤ異常検知部１２は、ソフトウェアにより形成されるものとして説明したが、ハードウェアにより形成してもよい。
加工制御装置２０は、ワイヤ異常判定信号が異常を示している場合に、ワーク送り速度信号で指示されたワーク送り速度になり、ワイヤ速度信号で指示されたワイヤ速度になるようにガイドローラ２と、ワーク３を制御する。

図５は、この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置のワイヤ異常検知部の内部構成の詳細を示す構成図である。
図５において、ワイヤ異常検知部１２は、ワイヤの乱れ線を検知する乱れ線検知手段１２１、乱れ線検知手段１２１により検知されたワイヤの乱れ線からワイヤの断線予兆を検知し、加工制御装置２０を制御するための制御信号を出力する断線予兆検知手段１２２とを有している。

図６は、この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置のワイヤ乱れにおける取得画像を示す模式図である。
図６において、ガイドローラ２に挟まれた部分であるワイヤ群３０は、スラリ膜に覆われ、反射光が得られないので、黒っぽく撮影されている。ワイヤ異常検知部１２は、検出領域３１を設定し、その範囲において、グレイレベル化することにより乱れ線３２を検出して、ワイヤ異常を検知する。

図７は、この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置の乱れ線のグレイレベル化を示す図である。
図７（ａ）は検出領域内の乱れ線３２の状態を示す図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の図のＹ軸方向の平均値により、グレイレベル化した図である。
図７において、２、３０、３２は図６におけるものと同一のものである。図７では、縦軸はグレイレベルで、０（黒）〜２５５（白）階調の明るさのレベルがある。横軸はワイヤの位置を示している。

図８は、この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置の乱れ線検知手段の処理を示すフローチャートである。

図９は、この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置の乱れ線の時系列状況を示す図である。
図９において、縦軸は時間を示し、横軸はワイヤの位置を示している。抽出画像の１回分４０が時系列に配置されている。白点の連続した乱れ４１と、白点の集中的に連続した強い乱れ４２が発生している。乱れ発生後に、乱れが収まっているのは、予防のための制御が行われたためである。

図１０は、この発明の実施の形態１によるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置の断線予兆検知手段の処理を示すフローチャートである。

次に、動作について説明する。
本発明は、図１に示すように、マルチワイヤソーのワイヤ状態を確認するビジョンセンサ５を、１台または複数台設置し、照明光をあてながらワイヤ状況をリアルタイムに監視する。

まず、ワイヤ乱れの検出について説明する。
図１に示すマルチワイヤソーは、１本のワイヤをガイドローラ２を通して数百本ほど巻いた構造となっており、通常は図２（ａ）に示されるように、ガイドローラ２上に数百μｍ単位でワイヤが張られている。ワーク３である多結晶のシリコンインゴッドは、その構造上多くの粒界を持つため、硬度が場所によって異なることが知られている。
そのため、切断時において安定的な切断が難しく、硬い面を切断する場合、ワイヤに過度な張力がかかり、図２（ｂ）で示されるように、ワイヤ９がガイドローラ２上を乗り越え、隣接する溝部に移動してしまうことがある。この現象をワイヤ乱れと呼ぶ。このワイヤ乱れは、隣接するワイヤと接触、干渉し、ワイヤ断線の原因になったり、シリコンインゴッドの切断面にひずみや、段差、厚さばらつきを生み、正常な切断面を形成できなくなるため、可能な限り避ける必要がある。
なお、マルチワイヤソーは、一方向にガイドローラ２が回転して、多数のワイヤからなるワイヤ列１が１方向に供給されるが、ときどき逆方向に回転させて、逆方向にワイヤ列１を供給してワイヤを再利用することもある。

このマルチワイヤソーの加工において、ワイヤスピードが高速（１５０ｍ／ｍｉｎ以上、精密工学会誌、Ｖｏｌ．６９、Ｎｏ．１２、ｐｐ１７３９−１７４３、２００３．１２、石川憲一、「マルチワイヤソーにおける加工溝内部のスラリ挙動と加工特性の関係」による。）である場合、各ワイヤ間は、スラリの表面張力によりワイヤ間に膜が形成される。そのため、ビジョンセンサ５によりワイヤ状況を斜めから観測した場合、図３（ａ）で示されるように、ワイヤの反射光は観測されない。

一方、ワイヤ乱れが発生すると、図２（ｂ）のように、ワイヤがガイドローラ２の凸部を乗り越えてしまうため、乱れが発生したワイヤ９が、図３（ｂ）で示されるようにワイヤ間に張られたスラリ膜７から突出し、ビジョンセンサ５からは強い線状の反射光が観測される。これは、研磨剤であるスラリ（主成分ＳｉＣ）は粒径が大きく、高屈折率であるため、強い散乱による反射光を得ることができるためである。
この反射光について、ビジョンセンサ５により取得した画像を、図４で示されるマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置１０を用いて画像処理し、ワイヤ乱れが発生しているかどうかの検出を行う。

図６は、図１で示されるビジョンセンサ（ＣＣＤカメラ）５から得られた画像例であり、乱れ線３２が、ワイヤ乱れにより生じた線状の反射光である。
この画像について、検出領域３１を設定し、図７で示されるように、画像をグレイレベルに変換し、乱れ線３２を検出する。

次に、ワイヤ異常検知部１２の乱れ線検知手段１２１の処理について、図８のフローチャートを用いて説明する。
まず、画像をビジョンセンサ５にて取得し（ステップＳ１）、その後画像をマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置１０に取り込む（ステップＳ２）。その後、検出する領域として検出領域３１を設定し（ステップＳ３）、図７（ａ）で示される設定領域のＹ軸方向の平均値をグレイレベル化し、記憶装置に記憶させる（ステップＳ４、グレイレベル化手段）。このとき、ワイヤ乱れが発生している場所は、グレイレベルが高い場所である。このワイヤ乱れの検出のためには、グレイレベルの閾値の設定をするだけでも良いが、さらに精度の良い検出を行うため、検出条件として取込領域におけるグレイレベルの分散、平均などを加味して乱れ線の検出を行う。
すなわち、記憶装置から読み出されたグレイレベルの平均値を計算して、設定閾値内かどうかを判断する（ステップＳ５）。グレイレベルが設定閾値内であれば、正常状態として、標準偏差を計算し、標準偏差が設定閾値内かどうかを判断する（ステップＳ６）。このステップＳ５及びステップＳ６では、撮像が正常になされているかどうかを判断するものである。ステップＳ６で、設定閾値内であれば、正常として、グレイレベルの強度を判断する（ステップＳ７）。グレイレベルの強度が設定閾値以上であれば、乱れ線として検知する（ステップＳ８）。
例えば、スラリ塗布直後のワイヤの観測結果、グレイレベルの平均値３０〜６０の間、及び標準偏差５〜１５の間であれば、撮像が正常に行われたと判断する。そしてグレイレベルの強度が、６０を超えるものを乱れ線と判断する。この数値は状況によって異なるのはもちろんである。
ステップＳ５、Ｓ６で異常であれば、ステップＳ１に戻り、ステップＳ７で、正常であれば、ステップＳ１に戻る。

また、今回ではＹ軸方向の平均を評価したため、ワイヤはＹ軸方向にそって並行である必要がある。画像が斜めである場合は、画像の回転補正をかけたり、線検出（輪郭の検出）などを用いて評価することも可能である。

次に、断線の予兆検知について説明する。
図８のフローチャートにより、乱れ線の検出が可能となり、その乱れ線の状況から、図５の断線予兆検知手段１２２により、断線の予兆を検知する。
次に、断線予兆検知手段１２２の処理について、図１０のフローチャートを用いて説明する。
まず、図８のフローチャートより連続して検出領域３１のグレイレベルを取得する（ステップＳ１１）。この取得間隔は予兆検知の精度を高めるため短いことが望ましい。本実施の形態では、１秒間隔のサンプリングでグレイレベルを取得し、そのグレイレベルを再度、画像化し、１つのサンプルを１Ｌｉｎｅとし、上方から時系列に並べていった、図９のような画像を記憶装置に蓄積する（ステップＳ１２）。

断線予兆と判断された全ての領域について、グレイレベルが閾値を下回っているかどうかを判断し（ステップＳ１３）、下回った場合、断線予兆解除と判断し、通常動作へ復旧するための制御信号を加工制御装置２０へ出力する（ステップＳ１４）。次いで、記憶装置に蓄積した画像について、グレイレベルの大きい領域を検出する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５で、グレイレベルの大きい領域があれば（ワイヤ異常を示す）、検出されたグレイレベルの大きい領域を時系列に記憶装置に蓄積する（ステップＳ１６）。ステップＳ１５で、グレイレベルの大きい領域が無ければ、正常であり、ステップＳ１１に戻る。

次いで、時系列に蓄積されたグレイレベルの大きい領域について判断し（ステップＳ１７）、連続してｎ件（設定閾値、ｎは正の整数）以上蓄積された場合に断線予兆ありと判断する。連続してｎ件以上蓄積された領域がなければ、断線予兆なしとして、ステップＳ１１に戻る。
断線予兆と判断したときには、断線を予防するための制御信号を加工制御装置２０に出力し、ステップＳ１１に戻る。
この図９において白点が連続した乱れ４１と、白点が集中的に連続した強い乱れ４２が発生している。
このようにグレイレベルを時系列で取得し、図１０で示されるようなフローチャートにて断線の予兆の判断を行う。
時系列にてグレイレベルを蓄積、評価し、グレイレベル強度と、発生している乱れ線の頻度の閾値を設定し、その閾値を上回った場合に断線予兆ありと判断する。

次に、制御信号について説明する。
図１０のフローチャートに示される処理により、断線の予兆が検知された場合、制御信号を出力し、ワイヤ速度や圧力、ワークの送り速度等のプロセス条件を制御することにより、ワイヤ乱れの異常状態を緩和し、断線を回避する。
断線予兆検知手段１２２の出力した制御信号は、加工制御装置インタフェース部１３を介して、ワーク送り速度信号、ワイヤ速度信号、ワイヤ異常判定信号を発信する（ステップＳ２２）。
加工制御装置２０が、これらの信号を受け取り、ワイヤ異常判定信号によってワイヤ異常を確認し、実際のマルチワイヤソーのワーク送り速度、ワイヤ速度を制御する。
制御された結果、乱れ線が収まった場合、図１０のフローチャートの処理（ステップＳ１３）により、断線の予兆なしと判断し、再度、元の加工条件に戻すように制御信号を出力する（ステップＳ１４）。
この制御により、断線を予防しながら、最適な加工条件を維持できる。

実施の形態１によれば、断線の予兆を検知し、断線を回避するようにしたので、設備稼働率の向上、復旧作業の削減、歩留まり向上を図ることができる。
また、断線の予兆を検知することにより、ワイヤ速度（切断速度）を適切に可変することが可能になり、切断速度を高くし、設備能力を向上させることができる。

１ ワイヤ列
２ ガイドローラ
３ ワーク
４ スラリ供給弁
５ ビジョンセンサ
６ 照明器具
７ スラリ膜
８ ワイヤ
９ ワイヤ
１０ マルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置
１１ 画像処理部
１２ ワイヤ異常検知部
１３ 加工制御装置インタフェース部
２０ 加工制御装置
１２１ 乱れ線検知手段
１２２ 断線予兆検知手段

Claims (3)

1. ワークの切断に用いられるマルチワイヤソーの断線を予防するマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置であって、
   上記ワークを切断中のワイヤを撮像するように配置されたビジョンセンサ、
   このビジョンセンサによって撮像された画像をグレイレベル化するグレイレベル化手段、
   このグレイレベル化手段によってグレイレベル化された画像を解析して上記ワイヤの乱れ線を検知する乱れ線検知手段を備えたことを特徴とするマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置。
2. 上記乱れ線検知手段によって検出された上記乱れ線の出現頻度から上記ワイヤの断線の予兆を検知する断線予兆検知手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置。
3. 上記断線予兆検知手段は、上記断線の予兆を検知した場合には、上記断線を防ぐように、上記マルチワイヤソーの加工パラメータを制御する制御信号を出力することを特徴とする請求項２記載のマルチワイヤソーのワイヤ断線予防装置。