JP2013121645A - ワイヤ放電加工装置及びワイヤ放電加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数本のワイヤ電極にて放電し被加工物を複数枚にスライスする放電加工において、被加工物の切断しろを低減すること。
【解決手段】放電により、並設された複数本のワイヤ電極の間隔で被加工物を薄片にスライスするワイヤ放電加工装置が、並設された複数本のワイヤ電極を同一方向に走行させ、被加工物の近傍で、走行による複数本のワイヤ電極の振動を吸収する。
【選択図】 図１

Description

ワイヤ放電加工装置及びワイヤ放電加工方法に関する。

従来よりシリコンインゴットを多数の薄片にスライスするための装置としてワイヤソーが知られているが、ワイヤ放電加工により部材を薄板に加工する技術がある。
例えば、先行文献１には、張設状態で走行する複数本のワイヤ電極で被加工物を放電加工することにより、被加工物を切断する技術が開示されている。

特開２０１０−２６０１５１号公報

しかしながら特許文献１には、走行するワイヤ電極の振動により切断しろが広くなってしまい、被加工物で放電加工されてしまう無駄な部材がワイヤ電極の本数が多くなるにつれて増大してしまうという問題を解決する方法に関しては何ら開示されていない。

本願発明は、複数本のワイヤ電極にて放電し被加工物を複数枚にスライスする放電加工において、被加工物の切断しろを低減することができる仕組みを提供すること。

本願発明は、放電により、並設された複数本のワイヤ電極の間隔で被加工物を薄片にスライスするワイヤ放電加工装置であって、前記並設された複数本のワイヤ電極を同一方向に走行させる走行手段と、前記被加工物の近傍で、前記走行による前記複数本のワイヤ電極の振動を吸収する吸収部と、を備えることを特徴とする。

また、前記吸収部は、前記同じ方向に走行する複数本のワイヤ電極がなす平面に、対向する平面を具備し、前記なす平面と前記対向する平面とが面接触することにより、前記対向する平面が前記振動を一括で吸収することを特徴とする。

また、前記対向する平面は、毛を有する繊維を具備し、前記毛により、前記対向する平面上での前記ワイヤ電極の水平移動を抑制することで前記振動を吸収することを特徴とする。

また、前記なす平面と前記対向する平面とが面接触する位置が変更可能なように、前記吸収部を配置する配置手段をさらに備え、前記被加工物の近傍で、前記複数本のワイヤ電極が走行する位置が変動するように前記吸収部を配置することで、前記複数本のワイヤ電極の走行距離を伸ばすことを特徴とする。

また、前記被加工物と前記複数本のワイヤ電極とが浸漬する加工液を貯留する加工槽を具備し、前記吸収部が、前記被加工物の近傍にある加工槽の一部に設置されていることを特徴とする。
また、前記吸収部の素材が、絶縁性の布紙シートであることを特徴とする。
また、前記薄片にスライスされた被加工物の厚みが、５０μｍ乃至１ｍｍであることを特徴とする。
また、前記の複数本のワイヤ電極の径が、２０μｍ乃至３００μｍであることを特徴とする。
また、前記走行する複数のワイヤ電極の走行速度が、１０ｍ/分乃至１０００ｍ/分であることを特徴とする。
また、前記被加工物は太陽電池用のシリコンインゴットであることを特徴とする。

本願発明により、複数本のワイヤ電極にて放電し被加工物を複数枚にスライスする放電加工において、被加工物の切断しろを低減することができる仕組みを提供することが可能となる。

本願発明のワイヤ放電加工装置の概略構成を示す図であり、本願発明のワイヤ放電加工装置を正面（前）から見た図である。 本願発明のワイヤ放電加工装置の概略構成を示す図であり、本願発明のワイヤ放電加工装置を立体的に見た図である。 個別給電装置３８の回路構成図を模式的に示している。 加工槽３２の周辺部を本願発明のワイヤ放電加工装置の正面（前）から見た図を模式的に示している。 加工槽３２の周辺部を本願発明のワイヤ放電加工装置の上面（上）から見た図を模式的に示している。 吸収部５０Ａの周辺部を、本願発明のワイヤ放電加工装置の正面（前）から見た図を模式的に示している。 振動の実験の方法を本願発明のワイヤ放電加工装置の側面（横）から見た図を模式的に示している。さらにワイヤ電極２の振幅（振動）の定義を模式的に示している。 吸収部を使用しなかった場合のワイヤ電極２の振幅（振動）結果を示している。 吸収部を使用した場合に、さらに配置位置を上昇させた場合に、ワイヤ電極２の振幅（振動）結果を示している。 吸収部の配置位置を上昇させた後に、ワイヤ電極２の走行速度を上昇させた場合の振幅結果を示している。

図１を説明する。
図１は本願発明のワイヤ放電加工装置１の概略構成を示している。
１は、放電により並設された複数本のワイヤ電極の間隔で被加工物２８を薄片にスライスするワイヤ放電加工装置である。
ワイヤ放電加工装置により薄片にスライスされる被加工物の厚みは、５０μｍから１ｍｍが望ましい。

２はワイヤ電極である。ワイヤ電極２は図２に示すように、ワイヤ電極２は１本の繋がったワイヤであり、ワイヤリール１０Ａのボビンから繰り出され、ガイドローラ２６の外周面のガイド溝（図示しない）に嵌め込まれながら、当該ガイドローラ２６の外側に多数回螺旋状に巻回された後、ワイヤリール１０Ｂのボビンに巻き取られる。
ワイヤ電極の内径は、２０μｍから３００μｍが望ましい。

図示しないガイドローラ駆動モータの回転駆動方向と図示しないボビン駆動モータの回転駆動方向とが正逆に切り替えられた場合には、ワイヤ電極２はワイヤリール１０Ｂのボビンから繰り出され、ガイドローラ２６の外周面のガイド溝（図示しない）に嵌め込まれながら、当該ガイドローラ２６の外側（外周）に多数回螺旋状に巻回された後、ワイヤリール１０Ａのボビンに巻き取られる。

１０Ａはワイヤリール（ワイヤ繰出し部）である。ワイヤ電極２が巻かれているボビンと、当該ボビンを回転駆動する図示しないボビン駆動モータにて構成される。

１０Ｂはワイヤリール（ワイヤ巻取り部）である。ワイヤ電極２が巻かれているボビンと、当該ボビンを回転駆動する図示しないボビン駆動モータにて構成される。
２０Ａ、２０Ｂはテンションアーム（ワイヤ張力調整部）である。ワイヤ電極２に適切な張力を与える。
２６はガイドローラ（４つ）である。当該ガイドローラを回転駆動する図示しないガイドローラ駆動モータにて構成される。

ガイドローラ（４つ）全てが同じ方向で同じ速度で連動して回転することにより、ワイヤ繰出し部１０Ａから送られた1本のワイヤ電極がガイドローラ（４つ）の外周においては、並設された複数本のワイヤ電極となって同一方向に走行させる（走行手段）ことができる。
走行する複数のワイヤ電極（ワイヤ繰出し部１０Ａから送られた1本のワイヤ電極）の走行速度は１０ｍ/分〜１０００ｍ/分が望ましい。
ガイドローラ駆動モータにより、加工液３４に浸漬するように複数本のワイヤ電極を走行させる。
２８は被加工物（ワーク）である。２８は太陽電池用の角柱状のシリコンインゴットである。

３０は被加工物送り装置である。２８の柱軸がガイドローラ２６の軸方向といっちするように、２８の上端部を保持しつつ、２８を下向きに移動させることによって、ワイヤ電極２に対して相対的に移動させる切断送りをする。
３２は加工槽である。加工槽３２はワイヤ電極が放電する場合に複数本のワイヤ電極が浸漬する加工液３４を貯留することができる。
３２は、被加工物と複数本のワイヤ電極とが浸漬する加工液３４を貯留することができる。

３４は加工液である。加工液としては、脱イオン水を用い、温度を２０℃に設定した。そうして、この加工液３４の比抵抗を１０ｋ〜３００ｋΩ・ｃｍの範囲である。ワイヤ電極２は加工液３４表面と接触するように配設される。

３６は給電子である。２８を挟んだ両側には、２８を挟んだ両側の各ワイヤ毎に２つペアとなる給電子３６が配設される。２つペアとなる給電子３６を通じてワイヤ電極２にパルス状の電圧が給電される。
１００はワイヤサブガイドである。
１０５、１０８はロードセルである。
尚、放電により並設された複数本のワイヤ電極の間隔で被加工物を薄片にスライスするワイヤ放電加工方法としては次の工程となる。
（１）並設された複数本のワイヤ電極を同一方向に走行させる（走行工程）。
（２）被加工物の近傍で、走行による複数本のワイヤ電極の振動を吸収する（吸収工程）。
図２を説明する。
図２は本願発明のワイヤ放電加工装置１において、被加工物２８の切断（スライス）を行っている状態を模式的に示している。

尚、図２においてはテンションアーム（２０Ａ、２０Ｂ）、加工槽３２、ワイヤサブガイド１００、ロードセル（１０５、１０８）を省略する。ワイヤ電極２がガイドローラ２６に巻回される数は、図２のように１０回に限定されるものではない。

ワイヤ電極２には給電子３６を通じて所定のパルス幅を有するパルス電圧が所定の周期で給電されているとともに、加工液３４と接触している。ワイヤ電極２と被加工物２８との間で放電を繰り返しつつ、ワイヤ電極２が、被加工物２８の下面側から被加工物の中を横断するように相対移動をすることにより、被加工物２８を複数の薄片に切断（スライス）する。
３８は個別給電装置である。３８は２つペアとなる給電子３６に接続され、２つペアとなる給電子３６にパルス状の電圧を給電する。

１本のワイヤ電極をガイドローラ（４つ）を１００μｍから１．５ｍｍの間隔で１０回から２００回の範囲で張架しているので、１０回から２００回の範囲で張架されたワイヤ電極（複数本のワイヤ電極）にそれぞれ個別に独立して給電するためには、１０個から２００個の放電電源（個別給電装置）が必要となる。よって１本のワイヤ電極がガイドローラに張架された（巻回される）回数と同数の個別給電装置を備えている。
図３を説明する。
図３は３８の回路構成図を模式的に示している。
３８は、高電圧回路４０（３００Ｖ程度）と低電圧回路４２（１００Ｖ〜１２０Ｖ程度）とが並列に設けられている。
３８は、まず高電圧回路４０によりワイヤ電極２と被加工物２８との間で放電を発生させる。
３８は、次に低電圧回路４２によりワイヤ電極２と被加工物２８との間で通電を維持させる。

高電圧回路４０と低電圧回路４２によって組み合わされたパルス電圧が所定の期間（０．１μｓから１００μｓ）で繰り返される。パルス電圧のデューティーファクターは好ましくは５〜５０％である。
図４を説明する
図４は加工槽３２の周辺部をワイヤ放電加工装置の正面から見た図を模式的に示している。
３８は、被加工物２８の両側にある２つの給電子３６対して同時に、図３で説明したパルス電圧を供給している。

５０Ａは走行する複数本のワイヤ電極の振動を吸収する吸収部である。吸収部の表面と複数本のワイヤ電極とが接触することで振動を吸収する。吸収部は、加工槽３２の一部に設置されている。
５０Ａは被加工物２８の近傍で、走行による複数本のワイヤ電極の振動を吸収する。

５０Ａは、同じ方向に走行する複数本のワイヤ電極がなす平面Ａ（あるいは、同じ方向に走行する複数本のワイヤ電極により形成され、被加工物２８の表面に対向する平面）に、対向する少なくとも１つの平面Ｂを持っている。
なす平面Ａと対向する平面Ｂとが面接触することにより、対向する平面Ｂが複数本のワイヤ電極の振動を一括で吸収することができる。

対向する平面Ｂには、毛を有する繊維がある。この毛により対向する平面Ｂ上でのワイヤ電極の左右移動（水平移動）を抑制することで振動を吸収することができる。
吸収部は、被加工物の近傍にある加工槽３２の一部に設置（貼り付け固定）されている。
吸収部の素材は、絶縁性の布紙シートであり、好ましくは研磨用に使用されるバフ紙である。

すわわち、ワイヤ電極は毛の間に挟まれることで、水平移動に対する自由度だけを失い、左右方向の振動を吸収するが、ワイヤ電極は柔らかい毛の間に挟まれるので走行する場合のワイヤ電極の進行方向に対する接触抵抗は小さい。安価なバフ紙を加工槽３２の一部に貼り付ける固定するだけで薄片にスライスする場合の切断しろに影響する左右方向の振動を抑止し、かつ低コストで簡単に設置できるといった効果を奏する。
５０Ｂは、５０Ａと同じものである。

加工槽３２の底部には図示しない加工液を加工槽に随時供給する供給部がある。供給部から随時供給される加工液は加工槽から溢れだす。本願発明における加工槽は吸収部５０の表面上を加工槽３２から溢れた加工液３４が流れるような形状をしていることから、走行するワイヤ電極との摩擦で発生する吸収部５０の表面の熱を加工液３４で冷却することもできるといった効果を奏する。

吸収部５０の表面上及び加工液３４の表面上をワイヤ電極が走行するので、加工槽３２にワイヤ電極が走行する（通過する）ための穴（空間）を開ける必要がなくなるという効果を奏する。

１００は複数本のワイヤ電極が走行する高さ（位置）を調整するサブガイドである。サブガイドは走行するワイヤ電極とともに回転している。サブガイドの役割は複数本のワイヤ電極を押さえつけることで、対向する平面Ｂに対してワイヤ電極の上下方向（垂直移動）の振動を抑制することである。
図５を説明する。
図５は加工槽３２の周辺部をワイヤ放電加工装置の上面から見た図を模式的に示している。

被加工物２８の両側にある２つの給電子３６対が、複数本のワイヤ電極の数と同数だけ配置されている。複数本のワイヤ電極の各ワイヤ電極毎に個別給電装置３８が個別に給電している。
図６を説明する。
図６は吸収部５０Ａの周辺部をワイヤ放電加工装置の正面から見た図を模式的に示している。
６０は吸収部の高さ位置（配置位置）を変更することができる。６０は、加工槽３２の一部に設置されている。
６０の表面に張り付けられた吸収部の部材はシート状の布紙（バフ紙）が好ましい。

２はワイヤ電極であり、並設された複数本に並設されている。被加工物送り装置３０が被加工物２８を下向きに移動させることによって並設されたワイヤ電極の間隔で被加工物２８をスライスすることができる。

走行する複数本のワイヤ電極の前記加工液への浸漬を維持しながら、調整部が走行する前記複数本のワイヤ電極の高さを調整する位置と異なるように、６０により吸収部の高さ位置を変更することができる。
６０は，なす平面Ａと対向する平面Ｂとが面接触する位置が変更可能なように、吸収部を配置する配置手段である。

６０が、被加工物の近傍で、複数本のワイヤ電極が走行する位置が変動する（高さが異なるように）ように吸収部を配置することで、位置が変動しない（高さが同じ）場合と比べて、複数本のワイヤ電極が走行する距離（経路）は変わる。つまりワイヤ電極が延びることで、で結果的に複数本のワイヤ電極が走行する距離（経路）は伸びる。ここで、ワイヤ電極は自らの張力により縮む作用が働き、さらに左右方向の振動をしないようになる。
６０がワイヤ電極の高さを調整する位置（第１の位置）と吸収部６０の表面の高さ位置（第２の位置）が相対的に等しい場合に０．０ｍｍとする。

吸収部６０の表面の高さ位置（第２の位置）が６０のワイヤ電極の高さを調整する位置（第１の位置）よりも相対的に２．０ｍｍ高い場合には＋２．０ｍｍとする。
図７を説明する。

図７は、被加工物２８の近傍で、複数本で走行する中の1本のワイヤ電極２の左右方向の振動をハイスピードカメラで観察した際の配置図である。ワイヤ放電加工装置の側面から見た図である。
図８を説明する。
図８は吸収部を使用しない場合の、ワイヤ電極２の走行速度を上昇させた場合の振幅（振動）結果を示している。
ハイスピードカメラを用いて、走行するワイヤ電極の挙動をワイヤ放電加工装置の上面から撮影した写真である。

ワイヤ電極の走行速度が、５０ｍ/分から７００ｍ/分の範囲においてワイヤ電極の左右方向の振動が確認された。左右方向の振動とは切断しろを広げてしまう方向の振動である。
図９を説明する。
図９は吸収部を使用し、さらに配置位置（高さ位置）を上昇させた場合に、ワイヤ電極２の振幅結果を示している。
ハイスピードカメラを用いて、走行するワイヤ電極の挙動を撮影した写真である。

走行速度が３００ｍ/sの場合には、吸収部を使用することで、第２の位置と第１の位置よりも相対的に等しい（０．０ｍｍ）高さであっても吸収部が振動を吸収している。次に第２の位置が第１の位置よりも相対的に１．０ｍｍ高い場合においては、吸収部が振動をさらに吸収している。次に第２の位置が第１の位置よりも相対的に２．０ｍｍ高い場合においては、吸収部が振動を完全に（振幅の幅が約４０分の１程度なるように）に吸収している。
図１０を説明する。
図１０は吸収部の配置位置（高さ位置）を上昇させた後に、ワイヤ電極２の走行速度を上昇させた場合の振幅（振動）結果を示している。
ハイスピードカメラを用いて、走行するワイヤ電極の挙動を撮影した写真である。

第２の位置が第１の位置よりも相対的に２．０ｍｍ高い場合においては、ワイヤ電極の走行速度が、５０ｍ/分から７００ｍ/分の範囲においてワイヤ電極の振幅（左右方向の振動）がなく吸収部が振動を完全に吸収している。

１ ワイヤ放電加工装置
２ ワイヤ電極
２６ ガイドローラ（走行手段）
２８ 被加工物
３２ 加工槽
３６ 給電子
３８ 個別給電装置
５０ 吸収部

Claims (12)

1. 放電により、並設された複数本のワイヤ電極の間隔で被加工物を薄片にスライスするワイヤ放電加工装置であって、
   前記並設された複数本のワイヤ電極を同一方向に走行させる走行手段と、
   前記被加工物の近傍で、前記走行による前記複数本のワイヤ電極の振動を吸収する吸収部と、
   を備えることを特徴とするワイヤ放電加工装置。
2. 前記吸収部は、前記同じ方向に走行する複数本のワイヤ電極がなす平面に、対向する平面を具備し、
   前記なす平面と前記対向する平面とが面接触することにより、前記対向する平面が前記振動を一括で吸収することを特徴とする請求項１に記載のワイヤ放電加工装置。
3. 前記対向する平面は、毛を有する繊維を具備し、
   前記毛により、前記対向する平面上での前記ワイヤ電極の水平移動を抑制することで前記振動を吸収することを特徴とする請求項２に記載のワイヤ放電加工装置。
4. 前記なす平面と前記対向する平面とが面接触する位置が変更可能なように、前記吸収部を配置する配置手段をさらに備え、
   前記被加工物の近傍で、前記複数本のワイヤ電極が走行する位置が変動するように前記吸収部を配置することで、前記複数本のワイヤ電極の走行距離を伸ばすことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のワイヤ放電加工装置。
5. 前記被加工物と前記複数本のワイヤ電極とが浸漬する加工液を貯留する加工槽を具備し、
   前記吸収部が、前記被加工物の近傍にある加工槽の一部に設置されていることを特徴とする請求項１乃請求項４のいずれか１項に記載のワイヤ放電加工装置。
6. 前記吸収部の素材が、絶縁性の布紙シートであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のワイヤ放電加工装置。
7. 前記薄片にスライスされた被加工物の厚みが、５０μｍ乃至１ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のワイヤ放電加工装置。
8. 前記の複数本のワイヤ電極の径が、２０μｍ乃至３００μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のワイヤ放電加工装置。
9. 前記走行する複数のワイヤ電極の走行速度が、１０ｍ/分乃至１０００ｍ/分であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のワイヤ放電加工装置。
10. 前記被加工物は太陽電池用のシリコンインゴットであることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のワイヤ放電加工装置。
11. 放電により、並設された複数本のワイヤ電極の間隔で被加工物を薄片にスライスするワイヤ放電加工方法であって、
    前記並設された複数本のワイヤ電極を同一方向に走行させる走行工程と、
    前記被加工物の近傍で、前記走行による前記複数本のワイヤ電極の振動を吸収する吸収工程と、
    を含むことを特徴とするワイヤ放電加工方法。
12. 放電により、並設された複数本のワイヤ電極の間隔で被加工物を薄片にスライスするワイヤ放電加工方法であって、
    前記並設された複数本のワイヤ電極を同一方向に走行させる走行手段と、
    前記被加工物の近傍で、前記走行による前記複数本のワイヤ電極の振動を吸収する吸収部と、
    を備え、
    前記吸収部は、前記同じ方向に走行する複数本のワイヤ電極がなす平面に、対向する平面を具備し、
    前記なす平面と前記対向する平面とが面接触することにより、前記対向する平面が前記振動を一括で吸収することを特徴とするワイヤ放電加工方法。

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