JP2013146848A - 太陽電池製造に使用するワイヤソー用メインロール - Google Patents

Abstract

【課題】軽量で、大荷重負荷でも撓みが小さく、駆動モーターの負荷が小さく、特に、太陽電池製造に使用するシリコンインゴットを高回転数で高精度に切断できる大型長尺のワイヤソー用メインロールを提供する。
【解決手段】筒状のロール本体１０と、ロール本体１０の外周面に設けられワイヤ溝２１が形成された最外筒としてのウレタン樹脂の外装体２０と、ロール本体１０の軸線方向両端部に一体に配置されたボス部３０と、を有するワイヤソー用メインロール１において、ロール本体１０は、内筒鋼管１０ａと、内筒鋼管１０ａの外周面に設けられた外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂとの複合構造とされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池製造用のシリコンインゴットを切断する際に使用される大型長尺のワイヤソー用メインロールに関するものである。

従来、太陽電池製造用のシリコンインゴットを切断する際に使用されるワイヤソーは、例えば、本願添付の図９に概略図示する構成とされる。

つまり、ワイヤソー１００は、所定の間隔で配置された複数個の、本例では２個のメインロール１（１ａ、１ｂ）を備えている。メインロール１は、１０トン以上の荷重がかかる直径３００ｍｍ以上、全長８００ｍｍ以上とされる大型長尺のローラとされる。ワイヤ１０１が両ローラ１ａ、１ｂ間に巻回されており、ワイヤ１０１は、一方のリール１０２から供給され、他方のリール１０３に巻き取られ、その後、他方のリール１０３から供給され、他方のリール１０２に巻き取られる。このように両ローラ１ａ、１ｂ間にて往復運動されているワイヤ１０１に太陽電池製造用シリコンインゴット２００を押し付け、所定の厚みに切断する。なお、図示してはいないが、メインロール１（１ａ、１ｂ）近傍にはスラリーや切削液等を供給するノズルが配置されている。

斯かる構成のワイヤソー１００にて、大型長尺のワイヤソー用メインロール１は、一般的には、図１０に示すように、中空管とされるロール本体１０と、ロール本体１０の最外筒としてのワイヤ溝２１が形成された外装体２０と、ロール本体１０の軸線方向両端部に一体に配置されたボス部３０と、にて構成されている。ボス部３０には、図示してはいないが、回転軸が装着され、メインロール１をワイヤソー本体に回転自在に担持している。

現在、大型長尺のワイヤソー用メインロール１においては、ロール本体１０は鋼管で作製され、外装体２０は、ロール本体１０の鋼管外周面上にウレタン樹脂を注型し、その後、研磨し、溝（ワイヤを通す溝）加工することが行われている。

更に、ワイヤソー１００の一般的な使用方法について説明すれば、メインロール１のウレタン外筒２０の溝２１にワイヤ１０１を巻き付けて、砥粒を混ぜた油であるスラリーという液体を流しながらワイヤ１０１でシリコンインゴット２００を切断する遊離砥粒式と、ダイヤモンドを電着させたワイヤ１０１で切削液を流しながらインゴット２００を切断する固定砥粒式とがある。このとき、スラリー温度、切削液温度は、メインロール１の熱膨張を制御できるように一定温度に制御されている。

従って、メインロール１を作製する材料としては、特に線膨張係数の小さい材料である必要はない。メインロール１のワイヤ張力による撓みが小さいことが、精度良くシリコンインゴットを切断する一番重要な要素である。

ただ、鋼管製のロール本体１０を用いたメインロール１は、荷重撓みは小さいが、重量が重く、大型化、長尺化、駆動モーターへの負荷が高く、高速回転に向かない欠点がある。太陽電池製造用のシリコンインゴットは大きさが大きく、メインロールが大型で長尺になるため、その軽量化が課題である。

特許文献１は、軽量化の課題を解決するとと共に、加工時に発生する熱によってメインロールが熱膨張し、加工後のシリコン基板の面精度に悪影響を及ぼすとの観点からロール本体を線膨張係数の小さい炭素繊維強化プラスチックにて作製することを提案している。

しかしながら、現行のワイヤソー用メインロールは、上述のようにワイヤを通す最外筒がウレタン樹脂で作製されており、ウレタン樹脂の線膨張係数が１０〜２０×１０^-5である。

つまり、特許文献１に記載するように炭素繊維強化プラスチック製のメインロールの線膨張係数が小さくても最外筒のウレタン樹脂の線膨張係数が支配的であり、特許文献１に記載するように、加工時に発生する熱によってメインロールが熱膨張し、加工後のシリコン基板の面精度に悪影響を及ぼすとの点では、ロール本体を線膨張係数の小さな炭素繊維強化プラスチックで作製することの意義は少ない。

更に、特許文献１は、炭素繊維強化プラスチック製ロールの切削液による劣化を防止するために厚さ０．１〜５ｍｍの金属スリーブを炭素繊維強化プラスチック上に配置する構成を開示している。しかしながら、金属の線膨張係数は炭素繊維強化プラスチックの線膨張係数より大であり、特許文献１に記載するように、メインロールの熱膨張に起因した課題を解決するといった点では、斯かる構成にてロール本体を線膨張係数の小さな炭素繊維強化プラスチックで作製することの意義は少ない。

また、特許文献１に記載する炭素繊維強化プラスチック製のメインロールは、プラスチックを体積割合で３０〜５０％含んでいるため、厚さ方向の潰れが大きいのと扁平変形に弱く撓みが大きく、１０トン以上の荷重（ワイヤ張力）がかかる直径３００ｍｍ以上、全長８００ｍｍ以上とされる、太陽電池製造用の大型ワイヤソー用メインロールには向かない。

なお、特許文献１は、最外筒のワイヤを通す溝付き外装体をセラミック製とすることを記載しているが、この場合は、溝付き外装体が硬いためワイヤが断線する可能性が高く、好ましくない。シリコンインゴットは、高価格なため、断線すると被害が大きい。このため、現在のワイヤソー用メインロールは、上述のように、ウレタン樹脂を最外筒に配置した鋼管製のものになっている。

特許文献２は、メインロールを金属、セラミックスとすることで線膨張係数を小さくして、温度制御をしなくても精度良く切断しようとしている。しかしながら、金属、セラミックスが硬いためワイヤが断線する可能性が高く、太陽電池製造用のワイヤソー用メインロールには好ましくない。

更に、特許文献３は、線膨張係数の小さいメインロールにスーパーインバーを用い、同様に温度制御をしなくても精度良く切断しようとしている。しかしながら、最外筒に溝付きスリーブが配置され、このスリーブの線膨張係数が支配的なため、スーパーインバーをメインロールに使う意味がない。また、スーパーインバーは鋼管より比重が重いため重くなり、太陽電池製造用のワイヤソー用メインロールには好ましくない。

特開２０１１−６６５号公報 特開２００１−１３８２０４号公報 特開平１１−２４５１５６号公報

そこで、本発明は、上記従来の諸問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、軽量で、大荷重負荷でも撓みが小さく、駆動モーターの負荷が小さく、特に、太陽電池製造に使用するシリコンインゴットを高回転数で高精度に切断できる大型長尺のワイヤソー用メインロールを提供することである。

上記目的は本発明に係るワイヤソー用メインロールにて達成される。要約すれば、第１の本発明によれば、筒状のロール本体と、前記ロール本体の外周面に設けられワイヤ溝が形成された最外筒としてのウレタン樹脂の外装体と、前記ロール本体の軸線方向両端部に一体に配置されたボス部と、を有するワイヤソー用メインロールにおいて、
前記ロール本体は、内筒鋼管と、前記内筒鋼管の外周面に設けられた外筒炭素繊維強化プラスチック管との複合構造とされることを特徴とするワイヤソー用メインロールが提供される。

第１の本発明にて、一実施態様によれば、前記内筒鋼管と前記外筒炭素繊維強化プラスチック管とをエポキシ接着剤で接着する。

他の実施態様によれば、前記内筒鋼管を軸線方向に沿って複数に分割し、前記各分割した内筒鋼管に補強リブを配置する。

第２の本発明によれば、筒状のロール本体と、前記ロール本体の外周面に設けられワイヤ溝が形成された最外筒としてのエポキシ樹脂の外装体と、前記ロール本体の軸線方向両端部に一体に配置されたボス部と、を有するワイヤソー用メインロールにおいて、
前記ロール本体は、内筒鋼管と、前記内筒鋼管の外周面に設けられた外筒炭素繊維強化プラスチック管と、前記外筒炭素繊維強化プラスチック管の外周面に設けられた外筒鋼管との複合構造とされることを特徴とするワイヤソー用メインロールが提供される。

第２の本発明にて、一実施態様によれば、前記内筒鋼管に補強リブを配置する。

他の実施態様によれば、前記内筒鋼管と前記外筒炭素繊維強化プラスチック管、及び、前記外筒炭素繊維強化プラスチック管と前記外筒鋼管とをエポキシ接着剤で接着する。

他の実施態様によれば、前記ロール本体の軸線方向両端部の端面に内径及び外径が前記ロール本体の内径及び外径と同じとされる鋼製の環状支持リングを配置し、前記支持リングは前記外筒鋼管との外周当接部において溶接により一体とされる。

本発明のワイヤソー用メインロールは、一実施態様によれば、直径３００ｍｍ以上、全長８００ｍｍ以上とされる太陽電池製造用のワイヤソー用ロールである。

本発明のワイヤソー用のメインロールは、ロール本体が軽量化のための炭素繊維強化プラスチック管と、炭素繊維強化プラスチック管の撓みを抑えるために剛性の高い鋼管の複合構造とされるので、軽量で荷重負荷が小さく、撓みが小さくされ、それにより、駆動モーターの負荷も低く、高回転数で高精度に太陽電池製造用のインゴットを切断することができる。

図１（ａ）は、本発明に係るワイヤソー用メインロールの第一の実施例の概略構成断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の線ｂ−ｂに取った断面図である。 図２（ａ）は、本発明に係るワイヤソー用メインロールの第二の実施例の概略構成断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の線ｂ−ｂに取った断面図である。 本発明に係るワイヤソー用メインロールの第三の実施例の概略構成断面図である。 本発明に係るワイヤソー用メインロールの第四の実施例の概略構成断面図である。 図５（ａ）は、本発明に係るワイヤソー用メインロールの第五の実施例の概略構成断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の線ｂ−ｂに取った断面図である。 図６（ａ）は、本発明に係るワイヤソー用メインロールの第六の実施例の概略構成断面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の線ｂ−ｂに取った断面図である。 従来のワイヤソー用メインロールの一例（比較例１）の概略構成断面図である。 従来のワイヤソー用メインロールの他の例（比較例２）の概略構成断面図である。 ワイヤソーの一例を示す概略構成斜視図である。 従来のワイヤソー用メインロールの一例を示す概略構成断面図である。

以下、本発明に係るワイヤソー用メインロールを図面に則して更に詳しく説明する。

実施例１
本発明に係るワイヤソー用メインロールは、特に、太陽電池製造用のシリコンインゴットを切断する際に使用される、例えば、図９を参照して説明した構成のワイヤソー１００に好適に使用される。

つまり、ワイヤソー１００は、所定の間隔で配置された複数個の、本例では２個の、メインロール１（１ａ、１ｂ）を備えている。メインロール１は、１０トン以上の荷重（ワイヤ張力）がかかる直径３００ｍｍ以上（通常、３００〜４００ｍｍ程度）、全長８００ｍｍ以上（通常、８００〜１５００ｍｍ程度）とされる大型長尺のローラとされる。

従来と同様に、ワイヤ１０１が両ローラ１ａ、１ｂ間に巻回されており、ワイヤ１０１は、一方のリール１０２から供給され、他方のリール１０３に巻き取られ、その後、他方のリール１０３から供給され、他方のリール１０２に巻き取られる。このように両ローラ１ａ、１ｂ間にて往復運動されているワイヤ１０１に太陽電池製造用シリコンインゴット２００を押し付け、所定の厚みに切断し、シリコンウェーハを作製する。

尚、図示してはいないが、メインロール１（１ａ、１ｂ）近傍には切削液等を供給するノズルが配置されている。

本発明に係る大型長尺のワイヤソー用メインロール１の一実施例が、図１（ａ）、（ｂ）に示される。

本実施例にて、メインロール１は、筒状のロール本体１０と、ロール本体１０の最外筒としてのワイヤ溝２１が形成された外装体２０と、ロール本体１０の軸線方向両端部に一体に配置されたボス部３０と、にて構成されている。大型長尺のワイヤソー用メインロール１は、通常、ボス部３０を除いて、ロール本体１０の外径（Ｄ１）が３００〜４００ｍｍ、軸線方向の長さ（Ｌ１）が７００〜１５００ｍｍとされる。ボス部３０は、詳しくは後述するが、ロール本体１０からの軸線方向への突出長さ（Ｌ３２）が５０〜１５０ｍｍとされる。

（ロール本体）
本実施例では、ロール本体１０は、鋼製の中空管（即ち、鋼管）である内筒１０ａと、この内筒鋼管１０ａの外周面に形成された炭素繊維強化プラスチック管である外筒１０ｂとにて構成された複合管構造とされる。内筒鋼管１０ａと外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂとは接着剤、エポキシ樹脂にて一体に固着されている。

本発明者の研究実験の結果によると、高精度にてシリコンインゴットを所定厚みにて切断するには、１０トン以上の荷重（ワイヤ張力）がかかる直径３００ｍｍ以上、全長８００ｍｍ以上の大型長尺のメインロールの撓み量を少なくとも４０μｍ以下、好ましくは２５μｍ以下に抑えることが必要であることが分かった。そのために、本発明では、ロール本体１０に十分な強度を持たせるために、内筒として鋼管１０ａを有する構成とし、外筒に炭素繊維強化プラスチック管１０ｂを配置してロール本体１０の軽量化を図っている。

以下、ロール本体１０を構成する各部材について更に詳しく説明する。

（１）内筒鋼管
本実施例にて、内筒鋼管１０ａは、ロール本体１に十分な強度を保証するために鋼製とされ、好ましくは構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃ、Ｓ２５Ｃ等にて作製され、内径（Ｄ１０ａ）が１８０〜２３０ｍｍ、厚み（ｔ１０ａ）が１０〜４０ｍｍ、全長（Ｌ１）が７００〜１５００ｍｍとされる。厚み（ｔ１０ａ）が１０ｍｍ未満では十分な強度が得られず、また、４０ｍｍを超えると重量が大となり、駆動モータ−の負荷が大きくなり、好ましくない。

本実施例では、内筒鋼管１０ａとしては、構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃにて作製された、内径（Ｄ１０ａ）が２１０ｍｍ、厚み（ｔ１０ａ）が３０ｍｍ、全長（Ｌ１）が９００ｍｍとされる鋼管を使用した。

（２）外筒炭素繊維強化プラスチック管
外筒の炭素繊維強化プラスチック管１０ｂは、メインロール１の軽量化を図り、且つ、ロール本体１０の強度の低下を最小限度に抑えることが重要である。そこで、強化繊維としてのＰＡＮ系或いはピッチ系の炭素繊維に樹脂を含浸させて作製され、厚み（ｔ１０ｂ）が１０〜４０ｍｍ、軸線方向長さは内筒鋼管１０ａと同じ（Ｌ１）とされる。厚み（ｔ１０ｂ）が１０ｍｍ未満では、ロール本体の軽量化に十分ではなく、また、４０ｍｍを超えると重量は軽減されるものの、ロール本体の強度が低下し、好ましくない。本実施例では、後述するように、厚さ（ｔ１０ｂ）は２０ｍｍとした。

炭素繊維強化プラスチック管１０ｂにおける炭素繊維含有量Ｖｆ＝（全炭素繊維の体積割合）は、４０〜８０％（体積）とされ、特に、５０〜７０％が好ましい。炭素繊維としては、平均繊維径が５〜２０μｍ、好ましくは、７〜１２μｍである。また、炭素繊維の引張弾性率は、１００〜１０００ＧＰａとされ、特に、２００〜８００ＧＰａのものが好ましい。

炭素繊維に含浸する樹脂（マトリックス樹脂）としては、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂が好適に使用される。

炭素繊維は、ロール本体１の軸線方向に配向したもの（０°≦配向角度（θ）＜４５°）、軸線方向に対して所定角度（４５°≦配向角度θ≦９０°）にて交差方向に配向したものを含むことができる。また、角度θが異なる２以上の交差方向に配向したものを含むこともできる。所望により、二軸以上に織成されたクロス状のものを含むこともできる。

外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂは、フィラメントワインディング法にて作製するのが好適である。例えば、マンドレルの周囲に未硬化マトリクス樹脂を付着させた炭素繊維を、所定の配向角度θで巻き付けた後、テープ巻き締めを行い、硬化炉にて樹脂を硬化させ、次いで、マンドレルを抜き取る。その後、内筒鋼管１０ａに嵌装し、接着剤にて一体に固着する。その後、外周面を所定の外径となるように研磨する。

別法として、シートワインディング法にて作製することもできる。即ち、所定の形状に型取りされたプリプレグを所定枚数マンドレルに巻き付け、テープ巻き締めを行ない、硬化炉にて樹脂を硬化させる。その後は、フィラメントワインディング法にて作製する場合と同様である。

本実施例では、外筒の炭素繊維強化プラスチック管１０ｂは、炭素繊維として、
・角度θ＝５°で配向した平均繊維径７μｍのピッチ系炭素繊維（引張弾性率７８０ＧＰａ）を６７％
・角度θ＝９０°で配向した平均繊維径７μｍのＰＡＮ系炭素繊維（引張弾性率２４０ＧＰａ）を３３％
にて配置して、エポキシ樹脂を含浸して内径（Ｄ１０ｂ）が２７０ｍｍ、厚さ（ｔ１０ｂ）が２０ｍｍのものを作製した。

すなわち、本実施例の炭素繊維強化プラスチック管１０ｂは、撓み量としては最小の設計とし、Ｖｆ＝（全炭素繊維の体積割合）６０％、残り４０％はエポキシ樹脂とされた。

（３）ワイヤ溝付き最外筒外装体
ロール本体１０の外周面には、ワイヤ溝付きの外装体２０が最外筒として設けられる。ワイヤ溝付きの外装体２０は、合成樹脂、通常ウレタン樹脂にて作製される。一般に、ウレタン樹脂最外筒２０は、次のようにして作製される。

先ず、ロール本体１０を円筒形金型の軸心位置に配置した後、ロール本体１０の外周面（即ち、炭素繊維強化プラスチック管１０ｂの外周面）と金型との間にウレタン樹脂を注入し、その後、加熱硬化させる。ウレタン樹脂の注型後、脱型し、ウレタン樹脂外周面を研磨し、ワイヤを通すための溝を加工する。ウレタン樹脂最外筒２０の厚さ（ｔ２０）は、１〜３０ｍｍ、好ましくは、３〜２０ｍｍとされる。ウレタン樹脂最外筒２０の軸線方向の長さは、ロール本体１０と同じ長さとされる。

本実施例では、最外筒のウレタン樹脂２０の厚さ（ｔ２０）は２０ｍｍとした。

最外筒ウレタン樹脂外装体２０には、注型によりロール本体１０と一体化した後に溝加工を行ったが、ウレタン樹脂注型時に同時に成形することもできる。溝２１のピッチは、シリコンインゴット２００から切断されるウェーハの厚さに対応したものとされる。

なお、ロール本体１０の軸線方向の端部、本実施例では、両端にボス部３０が設けられる。ボス部３０は、上述の内筒鋼管１０ａと同様に、鋼製とされ、好ましくは構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃ、Ｓ２５Ｃ等にて作製される。

ボス部３０は、ロール本体１０の内周面、即ち、本実施例では、内筒鋼管１０ａの内周面に嵌合する支持部３１と、支持部３１の外径より大径とされ、外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂの外径と同じとされる最大外径を有したフランジ部３２とを備えている。ボス部３０の中心部には、ボス部３０の軸線方向に沿ってワイヤソーのスピンドル（回転軸）（図示せず）と係合するための貫通穴３３が形成されている。本実施例にて、貫通穴３３は、内方の円筒穴３３ａと、外方の円錐形状の傾斜穴３３ｂとにより形成されているが、この構造に限定されるものではない。

本実施例では、上記構成により、ロール本体１０は、大径のフランジ部３２と小径の支持部３１との境界部に形成される環状の肩部３４にロール本体１０の両端面が当接した態様で、ロール本体１０の両端近傍の内周面が支持部外周面に担持される。ボス部３０は、ロール本体１０の内筒鋼管１０ａの端面に形成されたネジ穴３５に、フランジ部３２を軸線方向に貫通して形成された取付け穴３６を利用して挿入されたボルト３７を螺合させることにより一体に固着される。

もし、ボルト固定ネジ穴３５を炭素繊維強化プラスチック管１０ｂの端面に形成する場合は、炭素繊維強化プラスチック管１０ｂにエンザートを挿入、接着して、該エンザートにボルト３７を螺合させ、ボルト３７が抜けないようにするのが好ましい。

本実施例にてフランジ部３２の長さ（Ｌ３２）は、１００ｍｍとした。

上記のようにして作製した本実施例１のワイヤソー用メインロール１を、図９に示す構成のワイヤソー１００に装着して実験を行なった。

本実験におけるメインロール１の使用条件は、以下の通りであった。

（使用条件）
メインロール径（Ｄ１）３５０ｍｍでワイヤ１０１のかかる部分の全長（Ｌ１）９００ｍｍで荷重１０トン、回転数１０００ｒｐｍであった。図９に示される概略図のように回転する２本のメインロール１ａ、１ｂにワイヤ１０１を通してワイヤ１０１が回転しながらワイヤ１０１によって、シリコンインゴット２００を切断した。

なお、上記条件の撓み量と、ボス部３０を除くメインロール１の重量と、を表１に示す。表１に示す撓み量は、最外筒ウレタン樹脂外装体２０の外径（Ｄ１）が３５０ｍｍのメインロール１において、ワイヤ１０１の接線方向に全長（Ｌ１)９００ｍｍに渡って合計１０トンかけたときの撓み量である。なお、フランジ部３２の長さ（Ｌ３２）は、１００ｍｍとした。

比較例１、２
比較例１は、図７に示す構成とされる現在一般に使用されているメインロール１である。

つまり、メインロール１は、構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃの鋼管とされるロール本体１０と、ロール本体１０の外装体としての最外筒ウレタン樹脂２０とにて構成される。

比較例１のメインロール１は、ロール本体１０を構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃのみにて作製した以外は、その他のロール本体１０の寸法形状、並びに、ボス部及び最外筒ウレタン樹脂の寸法形状、材質等は、実施例１と同様とされる。

比較例１にてロール本体１０であるＳ４５Ｃ鋼管の厚さ（ｔ１０）は５０ｍｍとした。また、最外筒のウレタン樹脂外装体２０の厚さ（ｔ２０）は２０ｍｍとした。

比較例１の場合、表１に示すように、撓み量は最も小さいが、重量が重く、駆動モーターへの負荷が大きく高回転には向かない。

比較例２
比較例２は、図８に示すように、上述の特許文献１に記載される構成のメインロール１である。

つまり、メインロール１は、炭素繊維強化プラスチック管とされるロール本体１０と、メインロールの外装体としての最外筒ウレタン樹脂２０とにて構成される。

比較例２のメインロール１は、ロール本体１０を炭素繊維強化プラスチック管のみにて作製した以外は、その他のロール本体１０の寸法形状、並びに、ボス部３０及び最外筒ウレタン樹脂２０の寸法形状、材質等は、実施例１と同様とされる。

尚、本比較例２では、炭素繊維強化プラスチック管１０ｂは、炭素繊維として、
・角度θ＝５°で配向した平均繊維径７μｍのピッチ系炭素繊維（引張弾性率７８０ＧＰａ）を６７％
・角度θ＝９０°で配向した平均繊維径７μｍのＰＡＮ系炭素繊維（引張弾性率２４０ＧＰａ）を３３％
にて配置して、エポキシ樹脂を含浸して作製した。

比較例２の炭素繊維強化プラスチック管１０は、撓み量としては最小の設計とし、Ｖｆ＝（全炭素繊維の体積割合）６０％、残り４０％はエポキシ樹脂とした。

炭素繊維強化プラスチック管１０の内径（Ｄ１０）は２１０ｍｍ、厚さ（ｔ１０）は５０ｍｍとした。最外筒のウレタン２０の厚さ（ｔ２０）は２０ｍｍとした。

なお、Ｓ４５Ｃのフランジ部３２とメインロール部分はボルト３７で固定した。この時、ボルト固定ネジ穴３５は、炭素繊維強化プラスチック管１０にエンザートを挿入、接着して、ボルト３７が抜けないようにした。

比較例２の場合、撓みが大きく、シリコンインゴットの切断には使用できなかった。

実施例２
図２に、本発明に係るメインロール１の第二の実施例を示す。

本実施例にて、メインロール１は、上記実施例１で説明したメインロール１と同様に、内筒鋼管１０ａと、内筒鋼管１０ａの外周面に設けられた外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂとにて構成されるロール本体１０を備えている。更に、ロール本体１０の外周面には、ロール本体１０の外装体としての最外筒ウレタン樹脂２０が設けられている。内筒鋼管１０ａと外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂはエポキシ接着剤で接着した。

ただ、本実施例のメインロール１は内筒鋼管１０ａとしてＳ２５Ｃの鋼管を用い、更に、内筒鋼管１０ａの内周面に補強リブとして環状のＳ２５Ｃ製鋼板製リブ１１を軸線方向に所定の間隔にて溶接して設けている。

本実施例にて、内筒鋼管１０ａの厚さ（ｔ１０ａ）は３０ｍｍ、外筒炭素繊維プラスチック管１０ｂの厚さ（ｔ１０ｂ）は２０ｍｍ、最外筒ウレタン樹脂外装体２０の厚さ（ｔ２０）は２０ｍｍとし、実施例１と同様とした。その他のロール本体１０構成、並びに、ボス部３０及び最外筒ウレタン樹脂２０の寸法形状、材質等は、上記実施例１と同様とされる。同じ構成及び機能をなす部材には同じ参照番号を付し、詳しい説明は省略し、実施例１の説明を援用する。

本実施例にて、環状リブ１１は、厚さ（ｔ１１）が１０〜４０ｍｍ、半径方向高さ（ｈ１１）が３０〜７０ｍｍとされる。各リブ１１は、本実施例では、ロール本体１０の軸線方向中央部に一つ、更に、該中央部から軸線方向に距離（Ｌ１１）、例えば、１００〜４００ｍｍだけ離間して一つづつ配置された。本実施例では、厚さ（ｔ１１）は２０ｍｍ、半径方向高さ（ｈ１１）は５５ｍｍとされ、リブ１１は、ロール本体１０の軸線方向中央部に一つ、更に、該中央部から軸線方向に両側へと距離（Ｌ１１）が２５０ｍｍだけ離間して、合計３個配置された。ただ、リブ１１の寸法、形状、或いは、その配置される個数等は、本実施例のものに限定されるものではない。

表１から分かるように、本実施例のメインロール１によれば、ロール本体１０の強度は更に大とされ、メインロール１の撓みを更に小さくできた。

実施例３
図３に、本発明に係るメインロール１の第三の実施例を示す。

本実施例にて、メインロール１は、上記実施例２で説明したメインロール１と同様に、例えば構造用炭素鋼Ｓ２５Ｃにて作製した内筒鋼管１０ａと、内筒鋼管１０ａの外周面に設けられた外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂと、にて構成されるロール本体１０を備えている。更に、内筒鋼管１０ａの内周面に補強リブ、例えばＳ２５Ｃ製の鋼板製リブ１１を溶接して設けている。また、ロール本体１０の外周面には、ロール本体１０の外装体としての最外筒ウレタン樹脂２０が設けられている。

ただ、本実施例では、図３に示すように、内筒鋼管１０ａは、軸線方向に３分割され、軸線方向両端の端部内筒鋼管１０ａ１、１０ａ１と、中央内筒鋼管１０ａ２とにて構成される。内筒鋼管の分割幅、即ち、リブ１０ａ１とリブ１０ａ２との間隔（ｔｇ）は１０ｍｍとした。

また、各分割した内筒鋼管１０ａ１、１０ａ２、１０ａ１は、Ｓ２５Ｃの鋼板製リブ７を溶接した。リブ１１厚さ（ｔ１１）は２０ｍｍ、リブ１１の高さ（ｈ１１）は５５ｍｍとし、５箇所に配置した。

つまり、本実施例にて、端部内筒鋼管１０ａ１の長さ（Ｌ１０ａ１）及び中央内筒鋼管１０ａ２の長さ（Ｌ１０ａ２）は、１００〜８００ｍｍとされ、本実施例では、端部内筒鋼管１０ａ１の長さ（Ｌ１０ａ１）は１９０ｍｍ、中央内筒鋼管１０ａ２の長さ（Ｌ１０ａ２）は５００ｍｍとされた。このとき、フランジ部長さ（Ｌ３２）は１００ｍｍとした。

本実施例にて、内筒鋼管１０ａの厚さ（ｔ１０ａ）は３０ｍｍ、外筒炭素繊維プラスチック管１０ｂの厚さ（ｔ１０ｂ）は２０ｍｍ、最外筒ウレタン樹脂外装体２０の厚さ（ｔ２０）は２０ｍｍとした。その他のロール本体１０の構成、並びに、ボス部及び最外筒ウレタン樹脂の寸法形状、材質等は、上記実施例１、実施例２と同様とされる。同じ構成及び機能をなす部材には同じ参照番号を付し、詳しい説明は省略し、実施例１、実施例２の説明を援用する。

なお、外筒の炭素繊維強化プラスチック管１０ｂと内筒の鋼管１０ａ（１０ａ１、１０ａ２、１０ａ１）は、エポキシ接着剤で接着した。

表１から分かるように、本実施例のメインロール１によれば、撓みを更に小さくできた。

本実施例のメインロール１は、次のような特徴を有している。

つまり、内筒鋼管１０ａを分割することで、ウレタン樹脂注型時（１００℃〜１１０℃）の内筒鋼管（線膨張係数１．２×１０^-5）１０ａと、外筒炭素繊維強化プラスチック管（軸方向線膨張係数−５×１０^-7）１０ｂとのエポキシ樹脂（線膨張係数５×１０^-5）接着面の応力を下げる効果があり、長期使用時に外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂと内筒鋼管１０ａが外れ難いといった利点を有している。

また、注型し、研磨、溝加工した最外筒のウレタン樹脂２０は、消耗品のため周期的に巻き替える必要があるので、ワイヤソー用メインロールは、周期的に常温から１００℃〜１１０℃という熱履歴を受ける。この場合においても、内筒鋼管１０ａを分割することで、外筒の炭素繊維強化プラスチック管１０ｂとのエポキシ接着面の応力を下げることができ、外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂと内筒鋼管１０ａが外れ難いといった特徴がある。

本実施例のメインロール１によれば、撓みは小さく、重量は、比較例１の現行品メインロールより軽く、駆動モーターの負荷も低く、高回転数で精度よくシリコンインゴットを切断することができた。

実施例４
図４に、本発明に係るメインロール１の第四の実施例を示す。

本実施例にて、メインロール１は、上記実施例３で説明したメインロール１と同様に、内筒鋼管１０ａと、内筒鋼管１０ａの外周面に設けられた外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂとにて構成されるロール本体１０を備えている。また、ロール本体１０の外周面には、ロール本体１０の外装体としての最外筒ウレタン樹脂２０が設けられている。

更に、本実施例においても、図４に示すように、実施例３と同様に、内筒鋼管１０ａは軸線方向に３分割され、各分割した内筒鋼管１０ａ１、１０ａ２、１０ａ１は、鋼板製リブ１１を溶接して補強されている。

尚、本実施例では、内筒鋼管１０ａ１、１０ａ２、１０ａ１、及び、鋼板製リブ１１は、構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃにて作製した。

本実施例４においても、実施例３と同様に、リブ１１の厚さ（ｔ１１）は２０ｍｍ、リブ１１の高さ（ｈ１１）は５５ｍｍとし、５箇所に配置した。つまり、中央内筒鋼管１０ａ２は、中央部と両端部の三か所、端部内筒鋼管１０ａ１は、中央内筒鋼管１０ａ２と隣接した端部に一か所とした。内筒鋼管１０ａの分割幅ｔｇは、１０ｍｍとした。

ただ、３分割された内筒鋼管１０ａの各両端鋼管１０ａ１は、ボス部３０の支持部３１に一体に作製されている。

つまり、本実施例によれば、上記実施例１〜３と同様に、ロール本体１０の軸線方向の少なくとも一端、本実施例では、両端に設けられたボス部３０は、鋼製とされ、構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃにて作製された。

ボス部３０は、ロール本体１０の内周面、即ち、本実施例では、内筒鋼管１０ａの内周面に嵌合する支持部３１と、支持部３１より大径とされ、外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂの外径と同じとされるフランジ部３２とを備えている。ボス部３０の中心部には、ボス部３０の軸線方向に沿ってワイヤソーのスピンドル（回転軸）（図示せず）と係合するための貫通穴３３が形成されている。本実施例にて、貫通穴３３は、内方の円筒穴３３ａと、外方の円錐形状の傾斜穴３３ｂとにより形成されているが、これに限定されるものではない。

更に、本実施例では、支持部３１には軸線方向内方へと延在して一体に円筒状筒部３８が形成され、該円筒状筒部３８が内筒鋼管１０ａの分割された両端鋼管１０ａ１を構成する。ボス部３０の形状寸法は、この両端の円筒状筒部３８を除けば、上記実施例１〜３のボス部３０と同じ形状寸法とされる。ただ、上記各実施例では、ボス部３０を内筒鋼管１０ａにボルト３７にて固定する構造とされていたが、本実施例では斯かる構造は必要とされない。このとき、フランジ部長さ（Ｌ３２）は１００ｍｍとした。

本実施例にて、内筒鋼管１０ａの厚さ（ｔ１０ａ）は３０ｍｍ、外筒炭素繊維プラスチック管１０ｂの厚さ（ｔ１０ｂ）は２０ｍｍ、最外筒ウレタン樹脂外装体２０の厚さ（ｔ２０）は２０ｍｍとした。最外筒ウレタン樹脂筒の材質、寸法形状等は、上記実施例３、実施例１と同様とされる。同じ構成及び機能をなす部材には同じ参照番号を付し、詳しい説明は省略し、実施例１、実施例３の説明を援用する。

上記にて理解されるように、本実施例４は、図３に示す実施例３におけるボス部３０の支持部３１を内筒鋼管１０ａと一体化したものである。従って、実施例３におけるボス部３０と内筒鋼管１０ａを一体化するためのボルト３７は不要である。なお、外筒の炭素繊維強化プラスチック管１０ｂと内筒鋼管１０ａ（１０ａ１、１０ａ２、１０ａ１）は、エポキシ接着剤で接着される。

本実施例のメインロール１は、表１に示すように、撓みが小さく、重量は、ロール本体１０を鋼管のみで作製した比較例１の現行品より軽く、駆動モーターの負荷も低く、高回転数で精度よくシリコンインゴット１０を切断できた。

実施例５
図５に、本発明に係るメインロール１の第五の実施例を示す。

本実施例にて、メインロール１は、上記実施例１で説明したメインロールと異なり、ロール本体１０が、例えば構造用炭素鋼Ｓ２５Ｃ等にて作製した内筒鋼管１０ａと、内筒鋼管１０ａの外周面に設けられた外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂと、更に、外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂを内筒鋼管１０ａとにて挟持する態様で、炭素繊維強化プラスチック管１０ｂの外周面に配置された、例えば構造用炭素鋼Ｓ２５Ｃ等にて作製した外筒鋼管１０ｃと、にて構成される。更に、ロール本体１０の外周面には、即ち、本実施例５では外筒鋼管１０ｃの外周面にロール本体１０の外装体としての最外筒ウレタン樹脂２０が設けられている。

本実施例にて、内筒鋼管１０ａと外筒鋼管１０ｃは、メインロール１の強度を提供するものであるが、外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂを内筒鋼管１０ａと外筒鋼管１０ｃの間に配置することによってメインロール１の重量の軽量化を図っている。メインロール１の強度を増大するためには、より好ましくは、内筒鋼管１０ａより外筒鋼管１０ｃの断面積を大とするのが良い。従って、本実施例では、できるだけ内筒鋼管１０ａの厚み（ｔ１０ａ）を薄くし、外筒鋼管１０ｃの厚さ（ｔ１０ｃ）を厚くした（ｔ１０ａ≦ｔ１０ｃ）。

具体的には、外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂの厚さ（ｔ１０ｂ）は２０ｍｍ、外筒鋼管１０ｃの厚さ（ｔ１０ｃ）は２０ｍｍ、内筒鋼管１０ａの厚さ（ｔ１０ａ）は５ｍｍとした。本実施例にてロール本体１０の総厚さ（ｔ１０ａ＋ｔ１０ｂ＋ｔ１０ｃ）は４５ｍｍとされた。

実施例１では、内筒鋼管１０ａに形成したねじ穴３５を利用してボス部３０を固着する構成としたが、本実施例では、ロール本体１０の端部に鋼製の環状支持リング３９を配置し、該支持リング３９をボス部３０の支持部３１に嵌合させる構成とした。支持リング３９は、ロール本体１０の内径（Ｄ１０ａ）及び外径（Ｄ１０ａ＋２（ｔ１０ａ＋ｔ１０ｂ＋ｔ１０ｃ））と同じ内径及び外径とされ、支持リング３９と外筒鋼管１０ｃとの当接部外周囲は溶接４０により一体とした。また、支持リング３９にネジ穴３５を形成し、ボス部３０のフランジ部３２から挿通されたボルト３７によりボス部３０に一体に固定した。

なお、内筒鋼管１０ａと外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂ、及び、外筒鋼管１０ｃと外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂは、エポキシ接着剤で接着した。

このとき、内筒鋼管１０ａ、外筒鋼管１０ｂ、支持リング３９は構造用炭素鋼Ｓ２５Ｃで作製した。

外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂ、最外筒ウレタン樹脂２０、ボス部３０等の寸法形状、材質等は、上記実施例１と同様とされる。同じ構成及び機能をなす部材には同じ参照番号を付し、詳しい説明は省略し、実施例１の説明を援用する。

尚、本実施例にて、ロール本体１０の外周面に設けられる最外筒ウレタン樹脂２０は、環状支持リング３９の外周面にまで延在して配置された。

本実施例のメインロール１は、表１に示すように、撓みは小さく、重量は鋼管のみの現行品（比較例１）より軽く、駆動モーターの負荷も低く、高回転数で精度よくシリコンインゴット１０を切断できた。

実施例６
図６に、本発明に係るメインロール１の第六の実施例を示す。

本実施例にて、メインロール１は、上記実施例５で説明したメインロールと同様に、ロール本体１０が、例えば構造用炭素鋼Ｓ２５Ｃ等にて作製した内筒鋼管１０ａと、内筒鋼管１０ａの外周面に設けられた外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂと、更に、外筒炭素繊維強化プラスチック管１０ｂを内筒鋼管１０ａとにて挟持する態様で、外筒炭素繊維強化プラスチック１０ｂの外周面に配置された、例えば構造用炭素鋼Ｓ２５Ｃ等にて作製した外筒鋼管１０ｃと、にて構成される。更に、ロール本体１０の外周面には、即ち、外筒鋼管１０ｃの外周面にロール本体１０の外装体としての最外筒ウレタン樹脂２０が設けられている。

ただ、本実施例のメインロール１は、実施例５と異なり、内筒鋼管１０ａの内周面に鋼板製リブ１１を溶接して設けている。

その他の構成、即ち、ボス部及び最外筒ウレタン樹脂の寸法形状、材質等は、上記実施例５と同様とされる。同じ構成及び機能をなす部材には同じ参照番号を付し、詳しい説明は省略し、実施例５及び実施例１の説明を援用する。

本実施例のメインロール１によれば、表１にて分かるように、撓みは小さく、重量は鋼管のみの現行品（比較例１）より軽く、駆動モーターの負荷も低く、高回転数で精度よくシリコンインゴット１０を切断できた。

１ メインロール
１０ ロール本体
１０ａ 内筒鋼管
１０ｂ 外筒炭素繊維強化プラスチック管
１０ｃ 外筒鋼管
１１ 環状リブ（補強リブ）
２０ 最外筒ウレタン樹脂（外装体）
２１ 溝
３０ ボス部
３１ 支持部
３２ フランジ部
３３ 回転軸支承部
３９ 環状支持リング
１００ ワイヤソー
１０１ ワイヤ
２００ インゴット

Claims (8)

1. 筒状のロール本体と、前記ロール本体の外周面に設けられワイヤ溝が形成された最外筒としてのウレタン樹脂の外装体と、前記ロール本体の軸線方向両端部に一体に配置されたボス部と、を有するワイヤソー用メインロールにおいて、
   前記ロール本体は、内筒鋼管と、前記内筒鋼管の外周面に設けられた外筒炭素繊維強化プラスチック管との複合構造とされることを特徴とするワイヤソー用メインロール。
2. 前記内筒鋼管と前記炭素繊維強化プラスチック管とをエポキシ接着剤で接着したことを特徴とする請求項１に記載のワイヤソー用メインロール。
3. 前記内筒鋼管を軸線方向に沿って複数に分割し、前記各分割した内筒鋼管に補強リブを配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載のワイヤソー用メインロール。
4. 筒状のロール本体と、前記ロール本体の外周面に設けられワイヤ溝が形成された最外筒としてのウレタン樹脂の外装体と、前記ロール本体の軸線方向両端部に一体に配置されたボス部と、を有するワイヤソー用メインロールにおいて、
   前記ロール本体は、内筒鋼管と、前記内筒鋼管の外周面に設けられた外筒炭素繊維強化プラスチック管と、前記外筒炭素繊維強化プラスチック管の外周面に設けられた外筒鋼管との複合構造とされることを特徴とするワイヤソー用メインロール。
5. 前記内筒鋼管に補強リブを配置したことを特徴とする請求項４に記載のワイヤソー用メインロール。
6. 前記内筒鋼管と前記外筒炭素繊維強化プラスチック管、及び、前記外筒炭素繊維強化プラスチック管と前記外筒鋼管とをエポキシ接着剤で接着したことを特徴とする請求項４又は５に記載のワイヤソー用メインロール。
7. 前記ロール本体の軸線方向両端部の端面に内径及び外径が前記ロール本体の内径及び外径と同じとされる鋼製の環状支持リングを配置し、前記支持リングは前記外筒鋼管との外周当接部において溶接により一体とされることを特徴とする請求項４〜６のいずれかの項に記載のワイヤソー用メインロール。
8. 直径３００ｍｍ以上、全長８００ｍｍ以上とされる太陽電池製造用のワイヤソー用ロールであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかの項に記載のワイヤソー用メインロール。

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