JP2011224761A - ワイヤソー装置およびこれを用いた切断方法 - 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】 約１２０μｍの直径のワイヤ２と１ｍｍ以下の間隔を置いて超音波伝搬体１２を接合したランジュバン型超音波振動子１３を位置させる。超音波伝搬体１２にはオネジ部を設け、一方ランジュバン型超音波振動子１３にはメネジを設け、エポキシ接着剤と共に両者を締め付け接合する。そして、超音波伝搬体１２の上部位置にスラリまたは切削液１１を噴出する供給装置１０を設置する。供給装置１０から超音波伝搬体１２またはランジュバン型超音波振動子１３の表面に直接スラリまたは切削液１１を噴出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、サファイア単結晶など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。

一般にワイヤソー装置は、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装置においては、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装置においては、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以上の振動をワイヤの付与することが好ましいが、補助ローラに所望の振動数と振幅を発生させる凹凸部を設ける構成では難しい。

そこで特許文献２のワイヤソー装置が提案された。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。

特開平８−９９２６２号公報 特開２００１−６２７００号公報

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

上記の特許文献２に記載のワイヤソー装置においては、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に十分な振幅幅を与えることは困難である。そして、ワイヤの振幅幅を調整することは困難である。さらに振動方向を制御することも困難である。

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。

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装置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、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装置において、ワイヤより上の位置に超音波振動子を設置して、前記超音波振動子に超音波伝搬体を接続し、超音波振動子または超音波伝搬体に、スラリまたは切削液を供給し、前記超音波振動子に交流電圧を印加するものである。

本発明はまた、ワイヤに超音波伝搬体を接触させる上記に記載のワイヤソー装置とするものである。

本発明はまた、ワイヤと超音波伝搬体の先端の距離を３ｍｍ以下にする前記に記載のワイヤソー装置とするものである。

本発明はまた、超音波伝搬体の材料を有機物、無機物または、有機物と無機物の複合材料とするワイヤソー装置とするものである。

本発明はまた、超音波伝搬体の形状が多数の毛を持つブラシ状とする前記に記載の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。

本発明の構成のワイヤソー装置を示す斜視図である。 ワイヤ、ランジュバン型超音波振動子そして供給装置の詳細を示す平面図である。 ワイヤ、ランジュバン型超音波振動子そして供給装置の詳細を示す側面図である。 本発明の別の構成のワイヤ、ランジュバン型超音波振動子そして供給装置の詳細を示す平面図である。 本発明の別の構成のワイヤ、ランジュバン型超音波振動子そして供給装置の詳細を示す側面図である。

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。なお、ワイヤソー装置は複雑であるためワイヤより下にランジュバン型超音波振動子１３と超音波伝搬体１２とスラリまたは切削液１１を噴出する供給装置１０を置くスペースを設けることが困難である。このため、ワイヤより上にランジュバン型超音波振動子１３と超音波伝搬体１２とスラリまたは切削液１１を噴出する供給装置１０を置く必要がある。

次にワイヤ２に超音波振動を印加するランジュバン型超音波振動子１３と超音波伝搬体１２とスラリまたは切削液１１を噴出する供給装置１０を図２の平面図と図３の側面図を用いて説明する。約１２０μｍの直径のワイヤ２と１ｍｍ以下の間隔を置いて超音波伝搬体１２ａ、１２ｂを接合したランジュバン型超音波振動子１３を位置させる。超音波伝搬体１２ａ、１２ｂにはオネジ部を設け、一方ランジュバン型超音波振動子１３にはメネジを設け、エポキシ接着剤と共に両者を締め付け接合する。そして、超音波伝搬体１２の上部位置にスラリまたは切削液１１を噴出する供給装置１０を設置する。供給装置１０から超音波伝搬体１２ａ、１２ｂまたはランジュバン型超音波振動子１３の表面に直接スラリまたは切削液１１を噴出する。スラリまたは切削液１１は、超音波伝搬体１２ａ、１２ｂを通り、ワイヤ２に到達する。

超音波伝搬体１２ａ、１２ｂに、ワイヤ２により溝１４を形成する。そして超音波伝搬体１２ａ、１２ｂの先端はワイヤ２の下側に達する。超音波伝搬体１２ａ、１２ｂに設けられた溝１４とワイヤ２の距離が１ｍｍ以下であるので、ワイヤ２は常にスラリまたは切削液１１に接触する。そして、ランジュバン型超音波振動子１３の超音波振動は超音波伝搬体１２ａ、１２ｂに伝搬し、確実にスラリまたは切削液１１を伝搬してワイヤ２に到達してワイヤ２を超音波振動させる。スラリまたは切削液１１は超音波伝搬体１２ａ、１２ｂからワイヤ２までは連続体であり、霧状ではない。

超音波伝搬体１２は、ワイヤ２と接触してもワイヤ２を切断する虞のほとんどない材料により構成する。上記では炭素材料を用いた。他には、例えば炭素繊維とエポキシの複合材料、ポリエチレンなどのプラスチック、ガラス、セラミックなどがある。

また超音波伝搬体１２の形状は、ブロック状、ブラシ状である。ブロック状の超音波伝搬体１２の先端に達したスラリまたは切削液１１は、超音波伝搬体１２の先端の超音波振動により超音波振動が付与される。そして超音波振動が付与されたスラリまたは切削液１１はワイヤ２に超音波振動を付与する。

先端がブラシ状の超音波伝搬体１２であると、ブラシの中にスラリまたは切削液が保持され、効率よく超音波振動が付与される。そして超音波振動が付与されたスラリまたは切削液はワイヤに超音波振動を付与する。

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。ここでは、ワイヤは、ワイヤ表面に砥粒を固定したものを用いた。

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製のベース台８に接着する。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のカーボン製のベース台８に接着された被切断物９である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。

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に示す超音波伝播体を接合したランジュバン型超音波振動子１３の圧電セラミックに図示しない超音波発振器より超音波交流電圧を印加する。

そしてその先端が超音波伝播体の約１０ｍｍ上に位置する供給装置１０を稼動させ切削液を超音波伝播体の表面方向に噴出する。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とその表面が約１ｍｍ離れた超音波伝播体には常に切削液が供給されているため、切削液に伝搬した超音波振動がワイヤ２を超音波振動させる。また、超音波伝播体とワイヤ２は被接触であるためワイヤ２に損傷を与えることはない。

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。したがって、従来よりもワイヤの走行速度を向上させることができるので、加工効率が向上する。

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との間に切削液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。

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。

さらにワイヤ２には常に切削液が供給され、かつ超音波振動が切削液に付加されるため、ワイヤを超音波洗浄する効果も生じる。このため、ランジュバン型超音波振動子１３の位置において被切断物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。このことにより加工精度は向上し、切断速度も向上する。

本発明に関わるワイヤソー装置の別の実施の形態について図４の平面図と図５の側面図を用いて説明する。

超音波伝搬体１２が取付けられた超音波振動子１３および供給装置１０について説明する。ランジュバン型超音波振動子１３に接合された超音波伝搬体１２は炭素繊維を束ねたブラシ状の形状を持つ。供給装置１０から噴出されるスラリまたは切削液１１は、超音波伝搬体１２を通るが、超音波伝搬体がブラシ状であるためスラリまたは切削液１１は、ブラシの中に保持される。

また、ランジュバン型超音波振動子１３が発生した超音波振動は、超音波伝搬体１２の炭素繊維を伝搬するので、ブラシ状の超音波伝搬体１２の中のスラリまたは切削液１１に超音波振動は確実に伝搬する。

超音波伝搬体１２の先端はブラシ状であり、ワイヤ２との距離はほぼ接触するほど近接している。例え、接触してもブラシ状であるのでワイヤ２は損傷を受けない。

以上の説明では、超音波振動子１３をランジュバン型のものを用いたが、例えば圧電セラミック単体のものでもよい。

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。

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 ベース台
９ 被切断物
１０ 供給装置
１１ スラリ又は切削液
１２ 超音波伝搬体
１３ 超音波振動子
１４ 溝

Claims (5)

1. 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装置において、ワイヤより上の位置に超音波振動子を設置して、前記超音波振動子に超音波伝搬体を接続し、超音波振動子または超音波伝搬体に、スラリまたは切削液を供給し、前記超音波振動子に交流電圧を印加することを特徴とする。
2. ワイヤに超音波伝搬体を接触させることを特徴とする請求項１に記載のワイヤソー装置。
3. ワイヤと超音波伝搬体の先端の距離を３ｍｍ以下にすることを特徴とする請求項１に記載のワイヤソー装置。
4. 超音波伝搬体の材料を有機物、無機物または、有機物と無機物の複合材料とする請求項２に記載のワイヤソー装置。
5. 超音波伝搬体の形状が多数の毛を持つブラシ状である請求項２に記載のワイヤソー装置。

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