JP4998928B2 - 切断方法及び切断装置 - Google Patents

Description

本発明は、被工作物の切断方法及び切断装置に関する。詳しくは、ワイヤを利用して複雑な形状を切断する、いわゆるワイヤソーを用いた被工作物の切断方法及び切断装置に関するものである。

図１３に、従来のワイヤソーを用いた被工作物の切断方法の概略構成を示す。図１３に示すように、一般的なワイヤソー１は、ワイヤ供給・回収ユニット（図示せず）から繰り出された被工作物切断用のワイヤ２を、複数本の溝付ローラ３〔３Ａ，３Ｂ，３Ｃ〕にコイル状に巻き架け、これを再び該ワイヤ供給・回収ユニットに回収するように構成されている。シリコンインゴットや水晶等の披加工物４の切断時には、ラッピングオイルに遊離砥粒を含ませたスラリー状の砥液５をスラリーノズル６から供給しながら、該溝付ローラ３〔３Ａ，３Ｂ，３Ｃ〕間で高速に往復走行中のワイヤ列に対して、押し付け部材７によりプレート上に固定された被工作物４を押し付ける。その結果、遊離砥粒の研削作用により、多数枚のシリコンウェーハや振動子に切断される。使用済みのスラリー状の砥液５は、回収容器８に回収される。

ワイヤソーを用いた被工作物の切断方法については、例えば特許文献１、２及び３等に開示されている。
特開平１１ー１９８０１９号公報 特開平１０ー１２８７３７号公報 特開平１０ー３４０８６８号公報

このためワイヤソーは、直線状に多数枚同時に切断することが得意である。また、ワイヤソーは、微細な切断幅でありながら高いアスペクト比で切断でき、被工作物の種類を選ばないといった特徴を有している。その一方で、自由曲面など複雑な形状を切断しようとすると、切断により発生する加工力の方向が変化し、該ワイヤが溝付ガイドローラの溝から外れたり、該ワイヤが切れたりしてしまい、切断が難しいという問題点がある。

そこで、従来、複雑な形状の切断には、糸鋸加工、ワイヤ放電加工、レーザ加工、ウォータジェット加工が用いられている。このうち糸鋸加工は、加工力が大きいこと、切断表面が粗くバリが発生しやすいこと、工具としての糸鋸の大きさにより微細な曲線への対処ができないことなどの欠点のため、精密な切断加工にはほとんど使用されていない。

ワイヤ放電加工は、ワイヤと被工作物間に高電圧を掛け、アーク放電により加工する加工方法である。このため、加工力が直接ワイヤに伝わることがなく、被工作物の硬さによらず加工できること、高いアスペクト形状の切断も容易で、複雑な形状を加工できることが特徴である。しかしながら、ワイヤ放電加工は、加工時に発生する熱による被工作物表面へのダメージ、加工速度が遅いといった問題点がある他、導電性のない被工作物を切断することが原理的にできないといった致命的な問題を有している。

レーザ加工は、Ｃ０_２ 、ＹＡＧ、エキシマといったレーザを集光レンズで絞込み、レーザのエネルギ密度を高めて被工作物に照射することで切断する加工法である。このため、レーザ加工は、幅広い材料の切断が可能で、複雑な形状も容易に加工できる。しかし、このレーザ加工は、集光によりエネルギ密度を高めるため、高アスペクト比で切断することが難しく、ガラスなどの透光性物質の加工にも多くのノウハウなど細心の注意を払う必要性がある。

ウォータジェット加工は、微細砥粒を含浸した水を高圧に被工作物に吹き付けて切断する加工法である。このため、ウォータジェット加工は、材料の種類を問わず複雑な形状も容易に加工できるが、エネルギ損失が大きく、被工作物を高いアスペクト比で精密に切断することはできない。

この他、エッチングやＦＩＢが切断加工に使用されることもあるが、被工作物材料への依存性、高アスペクト比への対応の問題から、特殊な微細構造物に使用は限られている。

以上に対して、被工作物の材料を問わず、複雑な形状を、高いアスペクト比で、微細な切断幅で切断できる切断加工法が望まれていた。

本発明は、上述の点に鑑み、被工作物の材料を問わず、複雑な形状を切断できる切断方法及び切断装置を提供するものである。

本発明に係る切断方法は、ワイヤソーを用いた切断方法であって、切断用のワイヤを、固定部に対してワイヤ中心軸を中心として回動する切断アームに架張し、ワイヤの切断方向とワイヤを支持する全剛性の支持方向とを一致させるように切断アームを回動し、被工作物の切断加工を行うことを特徴とする。

本発明に係る切断方法の好ましい形態は、上記切断方法において、切断アームを固定の回動機構に回動可能に支持し、ワイヤは切断アームに設けられた一対の溝付ガイドローラ間に架張して、走行させることを特徴とする。

本発明の切断方法では、切断方向とワイヤを支持する全剛性の支持方向とを一致させるように切断アームを回動し、被工作物の切断加工を行うので、如何なる形状の切断もできる。

本発明に係る他の切断方法は、 ワイヤソーを用いた切断方法であって、切断用のワイヤを、固定部に対して回動する切断アームに架張し、切断アームの回動中心を、常に前記ワイヤの被工作物に接する実切断位置に一致させると共に、ワイヤの切断方向とワイヤを支持する全剛性の支持方向とを一致させるように切断アームを回動して被工作物の切断加工を行うことを特徴とする。

本発明に係る他の切断方法の好ましい形態は、上記他の切断方法において、切断アームを固定の回動機構に回動可能に支持し、ワイヤは切断アームに設けられた一対の溝付ガイドローラ間に架張して、走行させることを特徴とする。

本発明に係る他の切断方法の好ましい形態は、上記他の切断方法において、切断アームの回動中心とワイヤの実切断位置のずれ量を検出し、このずれ量に基いてワイヤの切断位置を、切断アームの回動中心に一致させるように制御することを特徴とする。

ワイヤの実切断位置の制御は、ワイヤの張力を検出して行うことができる。また、ヤイヤの実切断位置の制御は、直接に実切断位置を検出して行うことができる。

本発明の他の切断方法では、切断アームの回動中心を、常にワイヤの被工作物に接する実切断位置に一致させて切断加工するので、切断方向が変わっても変更部分で不具合な切断が起こらず、高精度に切断加工がなされる。同時に、切断方向とワイヤを支持する全剛性の支持方向とを一致させるように切断アームを回動するので、如何なる形状の切断もできる。

本発明に係る切断装置は、ワイヤソーを用いた切断装置であって、切断用のワイヤを走行可能に架張した切断アームと、切断アームをワイヤ中心軸を中心に回動可能に支持した固定の回動機構とを備え、被工作物の切断時、ワイヤの切断方向とワイヤを支持する全剛性の支持方向とを一致させるように切断アームを回動して切断加工を行うようにして成ることを特徴とする。

本発明に係る切断装置の好ましい形態は、上記切断装置において、切断用のワイヤ供給回収ユニットを有し、切断アームにワイヤを案内する一対の溝付ガイドローラが設けられ、ワイヤが前記一対の溝付ガイドローラ間に往復走行するように架張されて成ることを特徴とする。

本発明の切断装置では、切断用のワイヤを走行可能に架張した切断アームと、切断アームをワイヤ中心軸を中心に回動可能に支持した回動機構を備えるので、被工作物の切断時に切断アームを回動してワイヤの切断方向とワイヤを支持する全剛性の支持方向を一致させることができ、如何なる形状の切断もできる。

本発明に係る他の切断装置は、ワイヤソーを用いた切断装置であって、切断用のワイヤを走行可能に架張した切断アームと、固定の回動機構と、回動機構上に配置され、切断アームが固定されたＸーＹ移動機構と、ＸーＹ移動機構を制御する制御手段とを備え、被工作物の切断時、切断アームの回動中心を、常にワイヤの被工作物に接する実切断位置に一致させるようにＸーＹ移動機構を制御すると共に、ワイヤの切断方向とワイヤを支持する全剛性の支持方向とを一致させるように回動機構を介して切断アームを回動して切断加工を行うようにして成ることを特徴とする。

本発明に係る他の切断装置の好ましい形態は、上記他の切断装置において、切断用のワイヤ供給回収ユニットを有し、切断アームにワイヤを案内する一対の溝付ガイドローラが設けられ、ワイヤが一対の溝付ガイドローラ間に往復走行するように架張されて成ることを特徴とする。

本発明に係る他の切断装置の好ましい形態は、上記他の切断装置において、切断アームの回動中心とワイヤの実切断位置のずれ量を検出し、このずれ量に基いて、制御手段によりＸーＹ移動機構を制御して、ワイヤの実切断位置を切断アームの回動中心に一致させることを特徴とする。

本発明に係る他の切断装置の好ましい形態は、上記他の切断装置において、ワイヤ張力からワイヤの実切断位置を検出するためのひずみセンサが切断アーム上に配置されて成ることを特徴とする。
本発明に係る他の切断装置の好ましい形態は、上記他の切断装置において、ワイヤの実切断位置を検出するための光学検出手段が配置されて成ることを特徴とする。

本発明の他の切断装置では、切断用のワイヤを走行可能に架張した切断アームと、固定の回動機構とＸーＹ移動機構と、制御手段とを備え、被工作物の切断時、切断アームの回動中心を、常にワイヤの被工作物に接する実切断位置に一致させるようにＸーＹ移動機構を制御するので、切断方向が変わっても変更部分で不具合な切断が起こらず高精度に切断加工がなされる。同時に、切断方向とワイヤを支持する全剛性の支持方向とを一致させるように切断アームを回動するので、如何なる形状の切断もできる。

本発明に係る切断方法及び切断装置によれば、被工作物の材料を問わず、複雑な形状を切断加工することができる。
本発明に係る他の切断方法及び切断装置によれば、被工作物の材料を問わず、複雑な形状をより高精度に切断加工することができる。

Ａ〜Ｃ 本発明に係る切断方法の原理を説明する説明図である。 本発明に係る切断装置の第１実施の形態を示す概略構成図である。 図２の切断アーム及び回転機構の一部破断した斜視図である。 本発明に係る切断装置の第２実施の形態を示す要部の概略構成図である。 図４の要部の拡大斜視図である。 切断用のワイヤの実際の加工時の状態を示す説明図である。 ワイヤ中心軸を切断アームの回動中心としたときの、切断形状の説明に供する説明図である。 本発明に係る第３実施の形態におけるワイヤの実切断位置の検出方法の一例を示す説明図である。 図８の検出方法の演算式を求めるための説明図である。 本発明に係る切断装置の第３実施の形態を示す要部の概略構成図である。 Ａ，Ｂ 第３実施の形態の切断装置の動作の説明図である。 Ａ．Ｂ 切断形状を示す顕微鏡写真である。 従来のワイヤソーを用いた切断装置の一例を示す要部の概略図である。

本発明の実施の形態に係る切断加工法は、切断用のワイヤ、一対の溝付ガイドローラ及びワイヤの走行ガイドからなる切断アームと、切断アームを回動させる回動機構を有し、回動機構により、被工作物の切断部を走行するワイヤを中心に切断アームを回動させ、常にワイヤの切断方向とワイヤを支持する全剛性の支持方向を一致させて切断する切断方法である。すなわち、本実施の形態に係る切断方法は、常に一対の溝付ガイドローラの回転軸と垂直方向に切断方向を維持しながら切断する切断加工方法である。以下に図１Ａ〜Ｃを用いて、本実施の形態の切断方法の原理を説明する。

図１において、符号１は切断用のワイヤ、符号２は切断により発生する加工力Ｆｎを示す。符号３は図２で説明する溝付ガイドローラ５４、５５、切断アーム３３の回転軸（図示せず）及びそれらを支える支持剛性を合成した、ワイヤ１を支える全剛性Ｋａを示す。符号４はワイヤ１の送り方向を示す。

図１Ａは、１本のワイヤ１を用いて被工作物を直線状に切断する場合の力学モデルを示している。切断によって発生する加工力（Ｆｎ）２は、ワイヤ１を支える全剛性（Ｋａ）３と、ワイヤ１の剛性（Ｋｗ）により支えられている。この場合、加工力（Ｆｎ）２の方向とワイヤ１を支える全剛性（Ｋａ）の支持方向は一致している。

曲線状に切断する場合は、図１Ｂに示すように、切断方向により加工力（Ｆｎ）２の方向が変化する。この加工力（Ｆｎ）２の方向はワイヤ１の送り方向４と一致する。この加工力（Ｆｎ）２の方向と上記全剛性（Ｋａ）３の支持方向とのなす角をθとすれば、ワイヤ１には、全剛性（Ｋａ）３で支えられる加工力（Ｆｎ）の垂直方向の成分Ｆｎ・ｃｏｓθと、水平方向の成分Ｆｎ・ｓｉｎθに相当する力５が発生する。このとき、ワイヤ１は、溝付ガイドローラの溝とワイヤ１の剛性（Ｆｗ）により支持される。しかし、この角度θが大きくなると水平方向成分の力５も大きくなるため、溝付ガイドローラの溝では支えきれなくなり、ワイヤ１が溝から外れてしまうことや、ワイヤ１が切断されてしまうことが多々発生する。

そこで、図１Ｃに示すように、切断方向に合せてワイヤ１の中心軸を中心に上記全剛性（Ｋａ）３の支持方向を回動し、θ＝０°を常に維持するようになす。ここで、ワイヤの中心軸(いわゆるワイヤ中心軸)とは、図３で示す一対の溝付きガイドローラ５４及び５５間に垂直に架張されたワイヤ３２と一致した軸５１であると定義する。これにより、水平方向成分の力５は発生せず、図１Ｂでの問題も発生しない。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図２に、本発明に係る切断方法に用いる切断装置の第１実施の形態の概略構成を示す。本実施の形態に係る切断装置３１は、切断用のワイヤ３２を有する切断アーム３３と、切断アーム３３をワイヤ３２の中心軸５１を中心に回動させる回動機構３４を備える。さらに、切断装置３１は、ワイヤ供給回収ユニット３５と、被工作物３７の切断部におけるワイヤ走行方向５２を１軸に含めた直交３軸の移動テーブル３６と、移動テーブル３６に一体に支持された被加工物３７を保持するチャッキング装置３８と、これらのワイヤ供給回収ユニット３５、回動機構３４及び移動テーブル３６に指令を出す制御手段、例えばコンピュータ３９を備えて構成される。

切断アーム３３は、図３に示すように、例えばコ字型をなし、上下のアーム部３３Ａ及び３３Ｂの先端側に内蔵するように、２つの溝付ガイドローラ５４、５５と、ワイヤ３２の走行ガイド５６が配置され、上下のアーム部３３Ａ及び３３間に露出するように切断用のワイヤ３２が架張されて構成される。この切断アーム３３は、その上下のアーム部３３Ａ，３Ｂの先端側において、回動機構３４に回動自在に保持される。

ワイヤ３２は、後述するワイヤ供給回収ユニット３５の繰り出し用ドラム４２から供給され、切断アーム３３の後方から挿入され、走行ガイド５６に案内され上側のアーム部３３Ａ内の溝付ガイドローラ５４の溝に沿う。さらにワイヤ３３は、上側のアーム部３３Ａから外部に導出され垂直に架張されるように下側のアーム３３Ｂ内に入り、溝付ガイドローラ５５の溝に案内される。さらにワイヤ３３は、アーム３３Ｂ内の走行ガイド５６に案内されてワイヤ供給回収ユニットの巻取り用ドラム４３に巻き取られる。ワイヤ３２は往復走行するようになされる。切断アーム３３は、上記ワイヤ３２、溝付ガイドローラ３３Ａ，３３Ｂ及び走行ガイド５６等を支持し一体化する役割を持っている。

ワイヤ３２は、砥粒付きワイヤを用いることができる。また、砥液供給ノズルを配置してワイヤにスラリー状の砥液を供給する構成とすることもできる。

回動機構３４は、ワイヤ中心軸５１を中心に切断アーム３３を回動させる役割を持ち、コンピュータ３９からの回動指令に従って動作する回動用モータ５８と、切断アーム３３の回動用ベアリング４０とを備えて構成される。

すなわち、回動機構３４は、例えばコ字型部材から成り、このコ字型部材の内側に配置されたコ字型の切断アーム３３を回動自在に支持するように構成される。回動機構３４は固定して配置される。切断アーム３３は、その上下のアーム部３３Ａ，３３Ｂがそれぞれワイヤ中心軸５１と同軸上の回動軸（図示せず）及び回動用のベアリング４０を介して、コ字型部材による回動機構３４の上下のアーム部３４Ａ，３４Ｂに回動自在に支持される。そして、回動機構３４は、コンピュータ３９からの回動指令に基いて回動用モータ５８を駆動し、回動軸（すなわちワイヤ中心軸５１と同軸）を中心に切断アーム３３を回動するようになされる。

ワイヤ供給回収ユニット３５は、ワイヤ３２を繰り出す繰り出し用ドラム４２と、ワイヤ３２を巻き取る巻取り用ドラム４３と、両ドラム４２及び４３を回転させる駆動モータ４４と、コンピュータ３９の指令に従ってワイヤ３２に張力を制御する張力制御装置（図示せず）とから構成される。これらは一体化されている。張力制御装置は、繰り出し用ドラム４２にかける回転負荷を制御できるようにした構成である。

本例では、繰り出し用ドラム４２と巻取り用ドラム４３が同軸上に連結部４５を介して一体に連結される。この連結部４５と駆動モータ４４が駆動ベルト４６を介して連結される。従って、駆動モータ４４の駆動により、繰り出し用ドラム４２及び巻取り用ドラム４３が同時に回動し、繰り出し用ドラム４２に巻回されたワイヤ３２は、これより供給され、同時に巻取り用ドラム４３に巻き取られる。この構成において、張力制御装置は、駆動モータ４４における負荷トル９の制御機構により構成することができる。すなわち、コンピュータ３９からの指令により駆動モータ４４の負荷トルクを制御してワイヤ３２の張力制御を行うようになす。

他の例は、繰り出し用ドラム４２にブレーキを装備し、コンピュータ３９からの指令によりブレーキを制御して、繰り出し用ドラム４２の回転負荷を制御するように構成することもできる。この場合、繰り出し用ドラム４２と巻取り用ドラム４３とは、互いにスリップ可能に連結される。

本実施の形態の切断装置３１では、切断アーム３３の姿勢が常にワイヤ送り方向になるように、コンピュータ３９の指令に従って回動用モータ（図示せず）の回動角度を制御している。このとき、ワイヤ３２にかかる張力が変化しないようにするため、コンピュータ３９からの指令に従って、張力制御装置により、繰り出し用ドラム４２にかける回転負荷を制御している。

第１実施の形態に係る切断装置３１の動作と共に、切断方法を説明する。被工作物３７をチャッキング装置３８にチャッキングして保持する。次に、移動テーブル３６により被工作物３７の切断部を切断アーム３３のワイヤ３２の中央に移動させると共に、被工作物３７をワイヤ３２に押し付ける。

次に、ワイヤ３２に対して被工作物３７の切断方向に加工力がかかるように、コンピュータ３９により移動テーブル３６の移動方向を制御する。同時に、コンピュータ３９からの指令で、切断方向に合わせて切断アーム３３を、回動軸（ワイヤ中心軸５１と同じ）を中心に所要の角度θだけ回動し（図２Ｃ参照）、ワイヤ３２の送り方向とワイヤ３２による加工力の方向を一致させる。この状態で切断加工を行う。切断方向を変えるときには、それに応じて移動ステージ３６を介して被工作物３７の加工力の方向を変える。同時に切断アーム３３を所要角度θだけ回動し、溝付ガイドローラ５４、５５などのワイヤを支持する全剛性（Ｋａ）の支持方向と加工力の方向を一致させて切断加工を行う。

第１実施の形態の切断加工方法及び切断装置によれば、直線の切断加工は勿論のこと、正弦波状や自由曲線などの複雑な形状を、高いアスペクト比で、微細な切断幅をもって切断加工することができる。また、導電性材料、非導電性材料など被工作物の材料を問わず、切断加工することができる。

溝付ガイドローラ５４、５５などのワイヤ３２を支持する全剛性（Ｋａ）の支持方向と加工力（Ｆｎ）の方向を一致させるので、溝付ガイドローラ５４，５５の溝に沿って配置されるワイヤが、溝壁を削ることがない。因みに、図１Ｂの状態で切断加工した場合、加工力Ｆｎの水平成分Ｆｎ・ｓｉｎθが大きくなると、溝付ガイドローラの溝壁がワイヤにより削られ、不具合を生じる。しかし、第１実施の形態ではこのような点が回避される。

図４に、本発明に係る切断方法に用いる切断装置の第２実施の形態を示す。本実施の形態に係る切断装置６１は、切断用のワイヤ３２を有する切断アーム６３と、ワイヤ３２の中心軸６２を中心に切断アーム６３を回動する回動機構６６とを備える。さらに切断装置６１は、図示せざるも、前述の第１実施の形態と同様に、図２で示したワイヤ供給回収ユニット３５と、直交３軸の移動テーブル３６に一体に支持された被工作物３７を保持するチャッキング装置３８と、各駆動指令を出す制御手段、例えばコンピュータ３９を備える。

切断アーム６３は、図５の要部拡大図で示すように、例えばコ字型をなし、上下のアーム部６３Ａ及び６３Ｂの先端側に内蔵するように、２つの溝付きガイドローラ６４及び６５が配置され、切断アーム６３の基部側にワイヤ３２の走行ガイド６６が配置される。切断用のワイヤ３２は、上下のアーム部６３Ａ及び６３Ｂ間に露出するように溝付きガイドローラ６４及び６５間に垂直方向に架張され、走行ガイド６６に案内されて走行するように構成される。

回動機構６６は、回動テーブル７１で構成される。この回動テーブル７１は、いわゆる回転ステージで構成することができる。回動テーブル７１は、コンピュータ３９からの指令で回動される。この回動テーブル７１上に、回動テーブル７１に対して水平面内でＸ軸方向及びこれと直交するＹ軸方向に移動できるＸ−Ｙ移動機構６８、例えばＸーＹテーブル７２が配置される。このＸーＹテーブル７２に一体の支持台７０上に、上記の切断アーム６３が固定して配置される。

ワイヤ供給回収ユニット３５、被工作物３７を保持するチャキング装置３８及び移動テーブル３６、コンピュータ３９などを含む、その他の構成は、前述の第１実施の形態と同様であるので、重複説明を省略し、かつ図面を省略する。

第２実施の形態に係る切断装置６１の動作と共に、切断方法を説明する。先ず、切断加工前に、切断アーム６３のワイヤ中心軸６２と回動テーブル７１の回動中心を一致させる。すなわち、切断アーム６３の先端側の溝付きガイドローラ６４及び６５間に垂直に架張された切断用のワイヤ３２のワイヤ中心軸６２と、回動テーブル７１の回動中心が一致するように、ＸーＹテーブル７２を介して切断アーム６３を位置決めする。この位置決めは、手動でＸーＹテーブル７２を操作してもよく、あるいはコンピュータ３９からの指令でＸーＹテーブル６８を自動操作してもよい。この状態で、切断用のワイヤ３２をコンピュータ３９からの指令により走行させる。また、コンピュータ３９からの指令により、移動テーブル３６を駆動し、被工作物３７の切断部を切断アーム６３のワイヤ３２の中央に移動させると共に、被工作物３７をワイヤ３２に押し付ける。

次に、ワイヤ３２に対して被工作物３７の切断方向に加工力がかかるように、コンピュータ３９により、移動テーブル３６の移動方向を制御する。同時に、コンピュータ３９からの指令で回動テーブル７１を回動し、切断アーム６３の向きを切断方向に合わせる（図２Ｃ参照）。この状態で切断加工を行う。切断方向を変えるときには、それに応じて移動テーブル３６を介して被工作物３７の加工力の方向を変える。同時に、回動テーブル７１を介して切断アーム６３を所要の角度θだけ回動し、ワイヤ３２を支持する全剛性（Ｋａ）の支持方向と加工力の方向を一致させて切断加工を行う。

第２実施の形態の切断装置６１を用いた切断方法においても、直線の切断加工は勿論のこと、正弦波状や自由曲線などの複雑な形状を、高いアスペクト比で、微細な切断幅をもって精密に切断加工することができる。また、導電性材料、非導電性材料など被工作物３７の材料を問わず、切断加工することができる。そして、溝付きガイドローラ６４．６５などのワイヤ３２を支持する全剛性（Ｋａ）の支持方向と加工力（Ｆｎ）の方向を一致させるので、溝付きガイドローラ６４，６５の溝に沿って配置されるワイヤ３２が、溝壁を削ることがないなど、前述の第１実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。

次に、さらに高精度に切断加工が行える本発明に係る切断方法及び切断装置の第３実施の形態を説明する。

例えば、図４の切断装置６１を用いて、実際の切断加工時のワイヤ３２の状態を検証する。図６に示すように、切断加工時において、ワイヤ３２が被工作物３７に接触して実質的に切断する位置（以下、ワイヤの実切断位置という）６９は、前述の両溝付きガイドローラ６４及び６５間に垂直に架張されたワイヤ３２のワイヤ中心軸６２よりも後方に位置することになる。すなわち、ワイヤ３２は、被工作物３７を所要の加工力で押圧しているので、その反力で弓型に撓む。このため、ワイヤ３２の実切断位置６９は、ワイヤ中心軸６２よりも距離δだけ遅れて進むことになる。このような状態で、切断方向を変更し、それに応じて切断アーム６３を、ワイヤ中心軸６２を中心に回動(図２Ｃ参照)すると、図７に示すように、変更点付近で一部外側に膨出するような不具合な切断形状が発生する。

その理由は、図７から明らかなように、ワイヤ中心軸６２と、ワイヤ３２の実切断位置６９とが距離δだけずれていることにより(図６参照)、実切断位置６２のワイヤ３２が、切断アーム６３と共にワイヤ中心軸６２を中心に回動するからである。

このため、曲線形状あるいはシャープな角度で折曲した形状を、より高精度に切断加工することが求められる。

次に、曲線形状あるいはシャープな角度で折曲した形状を、より高精度に切断加工することができる、本発明に係る切断方法及び切断装置の第３実施の形態を説明する。

第３実施の形態に係る切断方法及び切断装置は、被工作物に接触するワイヤの実切断位置を切断アームの回動軸とし、この回動軸の変動を制御して、常にワイヤの実切断位置を予め定めた基準となる回動軸に一致させながら切断するように構成する。

まず、図８を用いて実切断位置の検出方法、すなわちワイヤ中心軸からの遅れ位置を検出する方法について説明する。図８においては、コ字型の切断アーム６３の上下のアーム部６３Ａ、６３Ｂの先端側に溝付きガイドローラ６４，６５が取付けられ、加工前の状態では切断用のワイヤ３２が溝付きガイドローラ６４及び６５間に直線状に架張される。このときワイヤ３２は、ワイヤ中心軸６２上に在る。切断加工に入ると、ワイヤ１０４の実切断位置６９は、切断開始前のワイヤ中心軸６２よりも後退する。

ワイヤ３２の実切断位置６９は、ワイヤ中心軸６２からの距離δで求まる。距離δは、下記の数１及び数２から求まる。図９に示すように、今、一方の溝付きガイドローラ６４に接するワイヤ３２の接点Ｐ_Ａと、他方の溝付きガイドローラ６５に接するワイヤ３２の接点Ｐ_Ｂ との間の距離をｌとする。被工作物３７の厚みをｄとする。また、実切断位置６９における厚みｄの被工作物３７の表面に接する接点Ｑ_Ａと上記接点Ｐ_Ａとの間の距離をＺ_Ａ 、実切断位置６９における厚みｄの被工作物３７の裏面に接する接点Ｑ_Ｂと上記接点Ｐ_Ｂとの間の距離をＺ_Ｂ とする。さらに、接点Ｐ_Ａ から接点Ｑ_Ａに至る直線状のワイヤ３２Ａとワイヤ中心軸６２とのなす角度をθ_Ａとし、接点Ｐ_Ｂから接点Ｑ_Ｂに至るワイヤ３２Ｂとワイヤ中心軸６２とのなす角度をθ_Ｂとする。

この数１から次の数２が求まる。

一方、図８に示すように、加工時のワイヤ３２Ａ，３２Ｂの張力Ｆ_Ａ，Ｆ_Ｂからθ_Ａ，θ_Ｂ が求まる。張力Ｆ_Ａ は水平成分Ｆ_ＸＡと垂直成分Ｆ_ＺＡとの合力である。張力Ｆ_Ｂは水平成分Ｆ_ＸＢと垂直成分Ｆ_ＺＢとの合力である。そこで、一方のワイヤ張力Ｆ_Ａのそれぞれの水平成分Ｆ_ＸＡと垂直成分Ｆ_ＺＡを検出することにより、その合力としての張力Ｆ_Ａが得られ、角度θ_ＺＡが求まる。また他方のワイヤ張力Ｆ_Ｂのそれぞれの水平成分Ｆ_ＸＢと垂直成分Ｆ_ＺＢを検出することにより、その合力としての張力Ｆ_Ｂが得られ、角度θ_ＺＢが求まる。従って、この角度θ_ＺＡ，θ_ＺＢを数２に代入すれば、実切断位置６９を検出することができる。

上下の溝付きガイドローラ６４及び６５間に架張されたワイヤ３２の中央部で被工作物３７を切断加工すれば、角度θ_ＺＡと角度θ_ＺＢは互いに等しいので、角度θ_ＺＡ、あるいは角度θ_ＺＢの何れか一方を求めることで、数１、数２から距離δが求まり、実切断位置６９を検出することができる。

本発明に係る第３実施の形態に係る切断方法及び切断装置は、例えば、上述のワイヤ張力からの実切断位置の検出方法を用いる。図１０に、第３実施の形態に係る切断装置を示す。

第３実施の形態に係る切断装置８１は、図１０に示すように、切断用のワイヤ３２を有する切断アーム６３と、切断アーム６３を回動する回動機構６６と、Ｘ−Ｙ移動機構６８と備える。さらに切断装置８１は、図示せざるも、第１実施の形態と同様に、図２で示したワイヤ供給回収ユニット３５と、直交３軸の移動テーブル３６に一体に支持された被工作物３７を保持するチャッキング装置３８と、各駆動指令を出す制御手段、例えばコンピュータ３９を備える。

切断アーム６３は、前述の第２実施の形態の図５に示すと同様に、例えばコ字型をなし、上下のアーム部６３Ａ及び６３Ｂの先端側に内蔵するように、２つの溝付きガイドローラ６４及び６５が配置され、切断アーム６３の基部側にワイヤ３２の走行ガイド６６が配置される。切断用のワイヤ３２は、上下のアーム部６３Ａ及び６３Ｂ間に露出するように溝付きガイドローラ６４及び６５間に垂直方向に架張され走行ガイド６６に案内されて走行するように構成される。

回動機構６６は、回動テーブル７１で構成される。この回動テーブル７１は、いわゆる回転ステージで構成することができる。回動テーブル７１は、コンピュータ３９からの指令で回動される。この回動テーブル７１上に、回動テーブル７１に対して水平面内でＸ軸方向及びこれと直交するＹ軸方向に移動できるＸ−Ｙ移動機構６８、例えばＸーＹテーブル７３が配置される。このＸーＹテーブル７３に一体の支持台７０上に、上記の切断アーム６３が固定して配置される。Ｘ−Ｙテーブル７３は、手動による操作、及びコンピュータ３９からの指令による操作が可能となるように構成される。
その他の構成は、前述の第１実施の形態と同様であるので、重複説明を省略する。

そして、本実施の形態においては、特に、切断アーム６３の回動軸７７が、ワイヤ３２の実切断位置６９（図９参照）と一致するように構成される。すなわち、切断アーム６３は、被工作物３７の切断時にワイヤ３２が実質的に被工作物３７に接触している実切断位置６９を中心に回動するように構成される。

一方、被工作物３７の切断加工中に実切断位置６９を検出する位置検出手段７６が設けられる。本例では、位置検出手段７６として、ワイヤの張力を検出する手段で構成される。位置検出手段７６としては、例えば歪みセンサ７４，７５が用いられる。このため、切断アーム６３の上アーム部６３Ａに、図８で説明したワイヤ３２の張力Ｆ_Ａの垂直成分Ｆ_ＺＡ及び水平成分Ｆ_ＸＡを検出するための、歪みセンサ７４、７５が取付けられる（図１０参照）。

歪みセンサ７４は、垂直成分Ｆ_ＺＡを検出するセンサであり、垂直成分Ｆ_ＺＡが回転モーメントに相当するため、歪みが最大となる上アーム部６３Ａの基部に対応する部分に配置される。歪みセンサ７５は、水平成分Ｆ_ＸＡを検出するセンサであり、水平成分Ｆ_ＸＡが圧縮力に相当するため、上アーム部６３Ａの溝付きガイドローラ６４の直ぐ後ろに対応する部分に配置される。歪みセンサ７５は、上アーム部６３Ａ上であればどの位置でもよいが、配線などを考慮すると、上記歪みセンサ７４から離れた位置に配置することが望ましい。

次に、第３実施の形態に係る切断装置８１の動作と共に、切断方法を説明する。先ず、予め被工作物３７に対する加工を行い、基準となる実切断位置６９を設定する。すなわち、例えば送り速度一定とした直線加工を行って、安定した切断加工状態での実切断位置６９を基準とし、この基準となるワイヤの実切断位置６９（すなわち距離δ）を、数１、２の演算式から求めて置く。被工作物３７に接触するワイヤの部分が、上下の溝付きガイドローラ間の中央位置となる場合には、数１、２において一方の角度θＡを用いて求めることができる。基準の実切断位置６９は、被工作物３７の種類（材料、厚みなどの種類）に応じて設定される。

そして、この基準の実切断位置６９を回動テーブル７１の回動中心に合致させる。すなわち、基準の実切断位置６９と回動テーブル７１とが一致するように、切断アーム６３を位置決めする。この最初の位置決めはＸ−Ｙテーブル７３を手動操作で制御して行うことができる。あるいは、この最初の位置決めはコンピュータ３９からの指令でＸ−Ｙテーブル７３を自動制御して行うことができる。

この基準の実切断位置６９と回動テーブル７１の回動中心とを一致した状態で、被工作物３７に対する切断加工を開始する。切断加工中にワイヤ３２の張力ＦＡが変動し、角度θＡが変動し、距離δが変動したとする。例えば図１１Ａに示すように、ワイヤ３２の角度が基準の角度θＡより小さい角度θＡ′に変動し、実切断位置６９ ａが基準の実切断位置６９より前方に変位し、＋Δδずれたとする。

このときは、実切断位置６９ａが回動テーブルの回動中心より先進しており、ワイヤ３２の張力ＦＡが基準張力より弱くなっている状態にある。歪みセンサ７４、７５により、この状態でのワイヤの垂直成分Ｆ_ＺＡ及び水平成分Ｆ_ＸＡが検出され、この検出された垂直成分Ｆ_ＺＡ及と水平成分Ｆ_ＸＡの比率から角度θ_Ａ′が求まり、ワイヤ３２の実切断位置のずれ量＋Δδが得られる。切断速度を一定に維持する場合は、このずれ量＋Δδに相当する検出信号をＸーＹテーブル７３にフィードバックして、ずれ量＋Δδ分だけ切断アーム６３の全体を前進させて実切断位置６９ａと回動テーブル７３の回動中心に一致させる。

また、例えば図１１Ｂに示すように、逆にワイヤ３２の角度が基準の角度θＡより大きい角度θＡ′′に変動し、実切断位置６９ｂが基準の実切断位置６９より後方に変位し、−Δδずれたとする。このときは、実切断位置６９ｂが回動テーブル７３の回動中心より後退しており、ワイヤ３２の張力Ｆ_Ａが基準張力より強くなっている状態にある。

歪みセンサ７４、７５により、この状態でのワイヤ３２の垂直成分Ｆ_ＺＡ及び水平成分Ｆ_ＸＡが検出される。この検出された垂直成分Ｆ_ＺＡ及び水平成分Ｆ_ＸＡの比率から上記の角度θ_Ａ′′が求まり、ワイヤ３２の実切断位置のずれ量−Δδが得られる。切断速度を一定に維持する場合は、このずれ量−Δδに相当する検出信号をＸーＹテーブル７３にフィードバックして、ずれ量−Δδ分だけ切断アーム６３の全体を後退させて実切断位置６９ｂを回動テーブル７３の回動中心に一致させる。

切断方向が変更されたときには、変更した切断方向に切断アーム６３の向きが一致しするように、実切断位置６９を中心に切断アーム６３が回動する。この回動制御は、コンピュータ３９からの指令に基いて回動テーブル７３を回動することにより行われる。

第３実施の形態に係る切断方法及び切断装置８１によれば、実切断位置６９を切断アーム６３の回動中心とし、コンピュータ制御により、常に、実切断位置３９と回動テーブル７３の回動中心とを一致させ、角度θ_Ａ、距離δを基準に合わせて、ワイヤ張力を一定にして切断加工することにより、曲線状、あるいはシャープな角度で折曲される形状の切断加工を、より高精度で行うことができる。

因みに、切断方向を６０°変更したときの切断状態を比較する。図４の切断アーム６３の回動軸をワイヤ中心軸６２に一致させたときには、図１２Ａに示すように、変更点において膨出部が発生する。これに対して、図１０の切断アーム６３の回動軸を実切断位置６９に一致させたときには、図１２Ｂに示すように、変更点において膨出部が発生せず、シャープな角度をもって切断される。

そして、この第３実施の形態の切断方法及び切断装置においても、前述の実施の形態と同様に、直線の切断加工は勿論のこと、正弦波状や自由曲線などの複雑な形状を、高いアスペクト比で、微細な切断幅をもって精密に切断加工することができる。また、導電性材料、非導電性材料など被工作物３７の材料を問わず、切断加工することができる。そして、溝付きガイドローラ６４．６５などのワイヤ３２を支持する全剛性（Ｋａ）の支持方向と加工力（Ｆｎ）の方向を一致させるので、溝付きガイドローラ６４，６５の溝に沿って配置されるワイヤ３２が、溝壁を削ることがないなど、前述の第１実施の形態で説明したと同様の効果を奏する。

上述の第３実施の形態では、ずれ量Δδの補正を、切断速度を一定として、切断アーム６３の全体を前進、後退させて行うようにしたが、その他、Ｘ−Ｙテーブル７３を制御せずに、切断速度、いわゆる被工作物の送り速度を増減制御してずれ量Δδを補正することも出来る。

上述の第３実施の形態では、実切断位置６９（すなわち距離δ）をワイヤ張力から検出したが、その他、例えば光学的に実切断位置６９を直接検出し、その検出信号をＸ−Ｙテーブル７３にフィードバックすることも可能である。但し、切断加工で発生する切り屑などの影響を考慮すると、図１０で説明したように、ワイヤ張力を検出して、角度θＡを求め、ずれ量Δδを検出する方が、精度の高い検出値が得られる。

上述した各実施の形態の切断方法及び切断装置は、例えばＮＣ工作機械に適用して好適である。

引用符号の説明

１・・ワイヤ、２・・加工力（Ｆｎ）、３・・全剛性（Ｋａ）、４・・ワイヤ送り方向、５・・水平方向成分の力、３１、６１，８１・・切断装置、３２・・ワイヤ、３３・・切断アーム、３４・・回動機構、３５・・ワイヤ供給回収ユニット、３６・・移動ステージ、３７・・被工作物、３８・・チャッキング装置、３９・・コンピュータ、４０・・回動用ベアリング、４２・・繰り出し用ドラム、４３・・巻取り用ドラム、４４・・駆動モータ、４５・・連結部、４６・・駆動ベルト、５１・・ワイヤ中心軸、５２・・ワイヤ走行方向、５４、５５・・溝付ガイドローラ、５６・・走行ガイド、５８・・回動用モータ、６２・・ワイヤ中心軸、６３・・切断アーム、６３Ａ・・上アーム部、６３Ｂ・・下アーム部、６４，６５・・溝付きガイドローラ、６６・・走行ガイド、６７・・回動機構、６８・・Ｘ−Ｙ移動機構、６９，６９ａ，６９ｂ・・実切断位置、７０・・支持台、７１・・回動テーブル、７２、７３・・Ｘ−Ｙテーブル、７４，７５・・歪みセンサ、７６・・位置検出手段、７７・・切断アームの回転軸

Claims (14)

1. ワイヤソーを用いた切断方法であって、切断用のワイヤを、固定部に対してワイヤ中心軸を中心として回動する切断アームに架張し、ワイヤの切断方向と前記ワイヤを支持する全剛性の支持方向とを一致させるように前記切断アームを回動し、被工作物の切断加工を行うことを特徴とする切断方法。
2. 前記切断アームを固定の回動機構に回動可能に支持し、前記ワイヤは前記切断アームに設けられた一対の溝付ガイドローラ間に架張して、走行させることを特徴とする請求の範囲第１項記載の切断方法。
3. ワイヤソーを用いた切断方法であって、切断用のワイヤを、固定部に対して回動する切断アームに架張し、前記切断アームの回動中心を、常に前記ワイヤの被工作物に接する実切断位置に一致させると共に、前記ワイヤの切断方向と前記ワイヤを支持する全剛性の支持方向とを一致させるように切断アームを回動して被工作物の切断加工を行うことを特徴とする切断方法。
4. 前記切断アームを固定の回動機構に回動可能に支持し、前記ワイヤは前記切断アームに設けられた一対の溝付ガイドローラ間に架張して、走行させることを特徴とする請求の範囲第３項記載の切断方法。
5. 前記切断アームの回動中心と前記ワイヤの実切断位置のずれ量を検出し、該ずれ量に基いてワイヤの切断位置を、前記切断アームの回動中心に一致させるように制御することを特徴とする請求の範囲第３項記載の切断方法。
6. 前記ワイヤの実切断位置の制御は、ワイヤ張力を検出して行うことを特徴とする請求の範囲第５項記載の切断方法。
7. 前記ワイヤの実切断位置の制御は、直接に実切断位置を検出して行うことを特徴とする請求の範囲第５項記載の切断方法。
8. ワイヤソーを用いた切断装置であって、切断用のワイヤを走行可能に架張した切断アームと、前記切断アームをワイヤ中心軸を中心に回動可能に支持した固定の回動機構とを備え、被工作物の切断時、前記ワイヤの切断方向と前記ワイヤを支持する全剛性の支持方向とを一致させるように前記切断アームを回動して切断加工を行うようにして成ることを特徴とする切断装置。
9. 切断用のワイヤ供給回収ユニットを有し、前記切断アームに前記ワイヤを案内する一対の溝付ガイドローラが設けられ、前記ワイヤが前記一対の溝付ガイドローラ間に往復走行するように架張されて成ることを特徴とする請求の範囲第８項記載の切断装置。
10. ワイヤソーを用いた切断装置であって、切断用のワイヤを走行可能に架張した切断アームと、固定の回動機構と、前記回動機構上に配置され、前記切断アームが固定されたＸーＹ移動機構と、前記ＸーＹ移動機構を制御する制御手段とを備え、被工作物の切断時、前記切断アームの回動中心を、常に前記ワイヤの被工作物に接する実切断位置に一致させるように前記ＸーＹ移動機構を制御すると共に、前記ワイヤの切断方向と前記ワイヤを支持する全剛性の支持方向とを一致させるように前記回動機構を介して前記切断アームを回動して切断加工を行うようにして成ることを特徴とする切断装置。
11. 切断用のワイヤ供給回収ユニットを有し、前記切断アームに前記ワイヤを案内する一対の溝付ガイドローラが設けられ、前記ワイヤが前記一対の溝付ガイドローラ間に往復走行するように架張されて成ることを特徴とする請求の範囲第１０項記載の切断装置。
12. 前記切断アームの回動中心と前記ワイヤの実切断位置のずれ量を検出し、該ずれ量に基いて、前記制御手段により前記ＸーＹ移動機構を制御して、前記ワイヤの実切断位置を前記切断アームの回動中心に一致させることを特徴とする請求の範囲第１０項記載の切断装置。
13. ワイヤ張力から前記ワイヤの実切断位置を検出するための歪みセンサが、前記切断アーム上に配置されて成ることを特徴とする請求の範囲第１０項記載の切断装置。
14. 前記ワイヤの実切断位置を検出するための光学検出手段が配置されて成ることを特徴とする請求の範囲第１０項記載の切断装置。