JP2012006136A

JP2012006136A - ワイヤソー装置に用いる超音波洗浄装置

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Publication number: JP2012006136A
Application number: JP2010158290A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2012-01-12

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と約１ｍｍの間隔を置いてアルミ製の超音波伝搬体１２を接合した超音波振動子１３を位置させる。超音波伝搬体１２には２個の長方形の孔１４を設け、超音波振動子１３とエポキシ接着剤を用いて接合する。そして、スラリまたは切削液１１側の超音波伝搬体１２の上面にはポリエチレン製の上面板１５を同じくエポキシ樹脂を用いて接合する。また、超音波伝搬体１２の側面にもポリエチレン製の側面板１６を、エポキシ樹脂を用いて接合する。上部位置にスラリまたは切削液１１を供給する供給装置１０を位置させる。供給装置１０はステンレス管であり、下側に多数の穴が設けられている。
【選択図】図３

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に用いる超音波洗浄装置及び前記超音波洗浄装置を用いた超音波洗浄方法に関する。

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するか、固定砥粒付ワイヤに切削液を供給する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、固定砥粒付ワイヤの目詰まりを防止するために特許文献１の固定砥粒付ワイヤソーのワイヤクリーニング装置が提案されている。特許文献１においては、固定砥粒付ワイヤに高圧流体を噴射して目詰まりを防止すること、また、固定砥粒付ワイヤに超音波振動を与えた液体を噴射することにより目詰まりを防止することが記されている。

しかしながら、上に述べた固定砥粒付ワイヤソーのワイヤクリーニング装置においては、固定砥粒付ワイヤに高圧流体を噴射すると、固定砥粒付ワイヤが大きく振動してしまい、被加工物の加工精度を悪くする虞がある。また、固定砥粒付ワイヤに向けて超音波振動をえた液体を噴射すると、超音波振動以外に、液体の噴射により固定砥粒付ワイヤが大きく振動してしまい、被加工物の加工精度を悪くする虞がある。さらに超音波振動が均一に固定砥粒付ワイヤ列に与えられないという問題がある。

また特許文献２のワイヤソー装置が提案されている。このワイヤソー装置は、被加工物を、加工液を満たされた槽内に収納し、この加工液に超音波振動を付与して槽と共に被加工物を切断するものである。

しかしながら、上に述べた特許文献２のワイヤソー装置においては、構成的にワイヤの上方に被加工物を位置させることができないという問題点がある。また、加工液を満たされた槽が消耗品になってしまい加工費が高くなるという問題点がある。

特開平１１−７０４５６号公報特開２００３−６２８２８号公報

超音波塑性加工学会、「超音波応用加工」、森北出版株式会社、２００４年５月、ｐ３３−３４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、ｐ６７９−６８９

ワイヤに液体を圧力の高い液体を噴射して、ワイヤに大きな振動を与え、被加工物の加工精度を悪くしてしまう問題点がある。

ワイヤ列に超音波振動を与える場合、均一に超音波振動を与えることができないという問題点がある。

例えば加工液が満たされた槽のような新たな消耗品が必要になると加工費が高くなるという問題点がある。

また、被加工物がワイヤの下側に位置させなければならないという構成的な問題点がある。

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装置に用いる超音波洗浄装置およびこれを用いた洗浄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加工物を押し付け接触させて、被加工物を切断するワイヤソー装置に使用される超音波洗浄装置に関して、ワイヤより上の位置に超音波振動子を接合した超音波伝搬体を設置して、前記超音波振動子を接合した超音波伝搬体によりスラリ、または切削液に超音波振動を与え、前記超音波振動が付与されたスラリ、または切削液によりワイヤ及び被加工物を洗浄するものである。

超音波伝播体または上面板の上にスラリ、または切削掖を供給するものである。

超音波伝搬体の上面または下面あるいは両面に超音波振動子を接合するものである。

超音波伝搬体に貫通する孔を設けるものである。

超音波伝播体の両側面に側面板を設けるものである。

ワイヤが被加工物の中心点を通るときに超音波伝搬体の中心線の延長が被加工物を通るものである。

本発明のワイヤソー装置に用いる超音波洗浄装置を用いるより、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。超音波振動子、超音波伝搬体、そして供給装置などの詳細を示す平面図である。超音波振動子、超音波伝搬体、そして供給装置などの詳細を示す側面図である。超音波伝搬体の振動モードおよび支持方法を説明する平面図である。超音波伝搬体の振動モードおよび支持方法を説明する側面図である。超音波伝搬体の空間的位置について説明する概略図である。

以下、本発明に関わるワイヤソー装置に用いる超音波洗浄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。そして、なお、ワイヤソー装置は複雑であるため、スラリまたは切削液１１を供給する供給装置１０及び超音波振動子などを図示するのを省略する。

次にスラリまたは切削液１１に超音波振動を印加する超音波伝搬体１２、超音波振動子１３など及び切削液１１を供給する供給装置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と約１ｍｍの間隔を置いてアルミ製の超音波伝搬体１２を接合した超音波振動子１３を位置させる。超音波伝搬体１２には２個の長方形の孔１４を設け、超音波振動子１３とエポキシ接着剤を用いて接合する。そして、スラリまたは切削液１１側の超音波伝搬体１２の上面にはポリエチレン製の上面板１５を同じくエポキシ樹脂を用いて接合する。また、超音波伝搬体１２の側面にもポリエチレン製の側面板１６を、エポキシ樹脂を用いて接合する。上部位置にスラリまたは切削液１１を供給する供給装置１０を位置させる。供給装置１０はステンレス管であり、下側に多数の穴が設けられている。

構成を単純にするためにポリエチレン製の上面板１５とポリエチレン製の側面板１６を一体としたものでも良い。さらに上面板１５の表面にスラリまたは切削液１１がより均一に流れるように凹凸などを設けてもよい。

超音波振動子１３は板状の圧電セラミックであり、板厚方向に分極され、両面には銀電極が設けれている。この他、超音波振動子１３は、圧電単結晶などがある。

供給装置１０からスラリ２または切削液１１を直接ワイヤ２に噴射すると、ワイヤ２に不要な大きな振動を与えてしまうので、好ましくない。また、ワイヤ２にだけスラリまたは切削液１１を供給するため、被加工物９にはスラリまたは切削液１１が供給されない。これを避けるため、超音波伝搬体１２に接合したポリエチレン製の上面板１５に、供給装置１０からスラリまたは切削液１１を噴射し、そして、ポリエチレン製の上面板１５の角度を変えることにより、スラリまたは切削液１１の速度を調整して、これに超音波振動を与え、ワイヤ２および被加工物９を洗浄する。

また、アルミ製の超音波伝搬体１２を先端の超音波振動をより均一にするため、長方形の超音波伝搬体１２に２個の貫通した孔１４（スリット）を設ける。このように幅広な振動体に均一な振動を与えるために孔１４（スリット）を設けることは、よく知られたことで例えば非特許文献１に記述されている。

超音波伝搬体１２は、振動応力に対し疲れ限度応力の高い材料そして振動損失の小さい材料が適している。材料としては、アルミ合金、チタン合金、工具鋼、ステンレスなどがある。

ここで、図４の平面図と図５の側面図を用いて、超音波伝搬体１２の振動モードについて説明する。図５の側面図に示す超音波伝搬体１２の中心線に対して点線の上側は右への変位を示し、中心線に対して点線の下側は左側の変位を示す。もちろん次の半周期においては、振動変位は逆になる。常に振動変位がゼロのところ、つまり振動の節部を黒丸で示す。超音波伝搬体１２はアルミ製であり、そして支持板１７はステンレスであり、超音波伝搬体１２の節部を支持板１７で固定する。ここで超音波伝搬体１２と支持板１７は固有音響インピーダンスが異なるので、一層超音波伝搬体１２の振動は、支持板１７に伝搬しなくなる。

また、ここでは超音波伝搬体１２の下面に圧電セラミック製の超音波振動子１３を接合したが、上面に圧電セラミック製の超音波振動子１３を接合しても同じ振動モードが得られる。さらに超音波伝搬体１２の両面に圧電セラミック製の超音波振動子１３を接合すると、さらに振動変位量が大きくなる。理想的には超音波伝搬体１２の両面に圧電セラミック製の超音波振動子１３を接合するのが良いが、スペース及び配線の都合により上面、または下面だけでもよい。

次に本発明の超音波洗浄装置を配置したワイヤソー装置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２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、被加工物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を有し被加工物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に接着された被加工物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１２を接合した超音波振動子１３に図示しない超音波発振器より約４５ＫＨｚの超音波交流電圧を印加する。図３では、切削液の流を表すために切削液を黒丸で示した。

そして供給装置１０を稼動させ、の超音波伝搬体１２の上のポリエチレン製の上面板１５に、切削液を噴射する。ここでは上面板１５の上に切削液を噴射したが、超音波伝搬体１２に切削液を噴射してもよい。ポリエチレン製の上面板１５の角度を調整することにより、切削液の速度を調整する。また、切削液が幅方向に漏れるのを防ぐため、超音波伝搬体１２の側面にポリエチレン製の側面板１６が設けられている。切削液は超音波伝搬体１２の先端の達し、超音波伝搬体１２の先端の超音波振動が、切削液に伝搬してワイヤ２そして被加工物９に伝搬して、前記ワイヤ２そして被加工物９を洗浄する。

概略図である図６を用いて被加工物９の加工段階について説明する。なお切削液の流を表すために切削液を黒丸で示した。
（Ａ）は、加工初期の段階であり、ここでワイヤ２と被加工物９の両方に超音波振動が付与された切削液を供給するには、超音波伝搬体１２またはポリエチレン製の上面板１５の角度が、０度以上、３０度以下が望ましい。
（Ｂ）は加工中期であり、ここでワイヤ２と被加工物９の両方に超音波振動が付与された切削液を供給するには、超音波伝搬体１２またはポリエチレン製の上面板１５の角度が、０度以上、４５度以下が望ましい。
（Ｃ）は加工終期であり、ここでワイヤと被加工物の両方に超音波振動が付与された切削液を供給するには、超音波伝搬体１２またはポリエチレン製の上面板１５の角度が、０度以上、６０度以下が望ましい。
加工初期から加工終期までの期間を通して、超音波伝搬体１２またはポリエチレン製の上面板１５の角度が、０度以上、３０度以下が望ましいことがわがる。

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、加工を開始し、加工を継続する。

切削液に伝搬した超音波振動はワイヤ２及び被加工物９に伝搬するが、特に質量の小さいワイヤを超音波振動させる。したがって超音波切削加工の長所が出現する。

つまり、ワイヤ２の超音波振動により、ワイヤ２と被加工物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と被加工物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と被加工物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、被加工物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２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。

ワイヤ２及び被加工物に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、ワイヤ及び被加工物を超音波洗浄する効果も生じる。すなわち、固定砥粒付ワイヤの目詰まりを防止する。そして被加工物９の切断粉及びワイヤ２の消耗粉などが速やかに被加工物９から排除される。このことにより加工精度は向上し、切断速度も向上する。

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被加工物
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孔
１５上面板
１６側面板
１７支持板

Claims

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加工物を押し付け接触させて、被加工物を切断するワイヤソー装置に使用される超音波洗浄装置に関して、ワイヤより上の位置に超音波振動子を接合した超音波伝搬体を設置して、前記超音波振動子を接合した超音波伝搬体によりスラリ、または切削液に超音波振動を与え、前記超音波振動が付与されたスラリ、または切削液によりワイヤ及び被加工物を洗浄する超音波洗浄装置および前記超音波洗浄装置によるワイヤ及び被加工物の超音波洗浄方法。
超音波伝搬体または上面板の上にスラリ、または切削液が供給されることを特徴とする請求項１に記載のワイヤ及び被加工物を洗浄する超音波洗浄装置および前記超音波洗浄装置によるワイヤ及び被加工物の超音波洗浄方法。
超音波伝搬体の上面または下面あるいは両面に超音波振動子を接合することを特徴とする請求項１に記載のワイヤ及び被加工物を洗浄する超音波洗浄装置および前記超音波洗浄装置によるワイヤ及び被加工物の超音波洗浄方法。
超音波伝搬体に貫通する孔を設けることを特徴とする請求項１に記載のワイヤ及び被加工物を洗浄する超音波洗浄装置および前記超音波洗浄装置によるワイヤ及び被加工物の超音波洗浄方法。
超音波伝搬体の両側面に側面板を設けることを特徴とする請求項１に記載のワイヤ及び被加工物を洗浄する超音波洗浄装置および前記超音波洗浄装置によるワイヤ及び被加工物の超音波洗浄方法。
ワイヤが被加工物の中心点を通るときに超音波伝搬体の中心線の延長が被加工物を通ることを特徴とする請求項１に記載のワイヤ及び被加工物を洗浄する超音波洗浄装置および前記超音波洗浄装置によるワイヤ及び被加工物の超音波洗浄方法。