JP5127759B2 - キャプスタンロールおよび伸線機 - Google Patents

Description

本発明は、金属等の線材を伸線する伸線機、および伸線機に用いるキャプスタンロールに関する。

従来から、例えば半導体モジュールに使用されるボンディングワイヤ等の作製に、キャプスタンロールを備える伸線機が用いられている。このような伸線機では、伸線ダイスとキャプスタンを用いて、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌなどの金属線を連続的に伸線し、比較的小さな径の細線ワイヤを作成している。

例えば、図９は、下記特許文献１記載の、従来のキャプスタンロール１００を備えた伸線機について説明する概略断面図である。図９に示すキャプスタンロール１００は、伸線させるボンディングワイヤが摺接する側面１０１を備えるセラミック製のロール部材１０２と、側面１０１と略直交する一方主面１０３および他方主面１０５と当接し、ロール部材１０２を保持する保持部材１０４と、を備えて構成されている。保持部材１０４は突出部１０７を備えており、この突出部１０７は、ボンディングワイヤ等の線材が加工の際に動いて、側面１０１に摺接することがあっても、線材が側面１０１からはみ出さずに擦接されるよう、線材の位置をガイドする。

特開平０７−２９９５１４号公報

しかしながら、図９に示すキャプスタンロール１００では、ロール部材１０２と保持部材１０４との接合部分Ｂ１、Ｂ2に、各部材の寸法精度の誤差から生じた微小な隙間等が存在することがあった。従来のキャプスタンロール１００では、この微小な隙間にボンディングワイヤ等が引っ掛かることで、ワイヤ表面に傷が生じたり、ワイヤが断線することもあった。特に、近年、線材が極細線化しており、この隙間が問題となることがあった。また、従来のキャプスタンロール１００では、予め表面が研削加工されたロール部材１０２が、保持部材１０４に保持・固定されて構成されている。かかる従来の構成の伸線機では、ロール部材１０２の加工精度のずれ、保持部材１０４の加工精度のずれ、保持部材１０４に対するロール部材の保持位置の精度のずれ等が重複された状態で、伸線機における側面１０１の位置が設定されている。このため、従来の伸線機では、伸線機において設定された所定の回転軸の位置と、ロール部材１０２の側面１０１の中心軸とがずれることもあった。このような場合、側面１０１に摺接される線材にかかる張力が変動し、線材の断線や絡み等が生じる場合もあった。また、複数の線材を１つのキャプスタンロールで伸線する場合には、周速のバラツキが生じることがあった。同時に伸線本願発明は、かかる課題を解決するキャプスタンロール、および該キャプスタンロールを備えた伸線機を提供することを目的とする。

被加工物が摺接される側面を備える柱状のセラミック部材と、前記セラミックス部材の一方主面および他方主面と当接し、前記セラミック部材を保持する保持部材と、を備えて構成されたキャプスタンロールであって、前記セラミック部材の前記側面は、前記一方主面の側の端部領域および前記他方主面の側の端部領域の双方に、外側に突出した凸状部を備え、前記側面は、前記端部の近傍における算術平均高さ（Ｒａ）の値が、前記側面の略中心線を含む中心近傍の算術平均高さ（Ｒａ）の値に比べて、より高いことを特徴とするキャプスタンロールを提供する。また、上述のキャプスタンロールを備えて構成された伸線機を提供する。

線材を伸線する際の、この線材の表面の微細な傷の発生を抑制する。例えば、本願発明によって形成されたワイヤを用いることで、ワイヤボンディング工程における不良の発生を比較的少なくすることができる。

本発明に係るキャプスタンロールの一実施形態を示す斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、図１に示すキャプスタンロールの一部を拡大して示す断面図である。 図１に示すキャプスタンロールを備えて伸線機の一実施例を示す概略断面図である。 本発明に係るキャプスタンロールの他の実施形態について示す断面図である。 本発明に係るキャプスタンロールの他の実施形態について示す断面図である。 本発明に係るキャプスタンロールの他の実施形態について示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明に係るキャプスタンロールの他の実施形態について示す断面図である。 本発明に係るキャプスタンロールの他の実施形態について示す斜視図である。 従来のキャプスタンロールを示す概略断面図である。

図１は本発明に係るキャプスタンロールの一実施形態を示す斜視図である。

図１に示すキャプスタンロール１は、いわゆるコーン型のキャプスタンロールであって、軸方向に沿って分割された各部分毎に径が異なる、複数段の表面を有するキャプスタンロールである。

図１に示すキャプスタンロール１０は、例えばＡｕ等の線材を引き伸ばすための、後述する伸線機１に設置される。伸線機１において、キャプスタンロール１０は、所定の回転軸Ｙを中心に回転可能に設置される。図１に示すキャプスタンロール１０では、側面２２の直径（外径）がそれぞれ異なる複数のロール部材２０が、金属等からなる保持部材４０に保持されている。ロール部材２０は、例えばジルコニア等のセラミックスを主成分として構成され、側面２２に、被加工物であるＡｕ等の線材が摺接される。

図２（ａ）は、キャプスタンロール１０の一部を拡大して示す断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の一部を拡大して示す図である。ロール部材２０は、側面２２と略直交する一方主面２３ａおよび他方主面２３ｂが、金属からなる保持部材２４によって保持されている。保持部材２４は、２つの保持部材２４Ａおよび保持部材２４Ｂが組み合わされて構成されており、ロール部材２０が保持部材２４Ａと保持部材２４Ｂとによって挟持されている。本実施形態では、保持部材２４Ａと２４Ｂとが例えばビス２６によって締結されて、ロール部材２０が、保持部材２４Ａと保持部材２４Ｂとによって挟持されている。

保持部材２４は、ロール部材２０の側面２２よりも外側に突出する鍔部４２を備えている。鍔部４２は、線材Ｗが加工時に動いて、ロール部材２０の側面２２に擦接した際であっても、線材Ｗをガイドすることが可能となる。また、保持部材２４は、ロール部材２０と当接する側の面に、凹部４４Ａおよび４４Ｂを有し、ロール部材２０の端部が、これらの凹部４４Ａおよび４４Ｂに嵌合された構成とされている。

ロール部材２０は、側面２２の一方主面２３ａの側の端部領域、および他方主面２３ｂの側の端部領域に、外側に突出した凸状部２５ａおよび２５ｂを、それぞれ備えている。キャプスタンロール１０では、側面２２に摺接されたＡｕ等の線材Ｗが端部に寄るように移動した場合でも、側面２２から連なる凸状部２５ａおよび２５ｂによって、この線材Ｗの移動が抑止することができる。すなわち、キャプスタンロール１０では、保持部材２４とロール部材２０との境界部分Ｂに、被加工部材である線材Ｗ等が接することを抑制されている。このため、キャプスタンロール１０では、線材の表面の傷の発生や、線材の断線等が比較的少ない。また、キャプスタンロール１０では、凸状部２５ａおよび２５ｂの裾部分の曲率半径が、Ｒ０．３ｍｍ〜Ｒ１ｍｍと、比較的滑らかな曲線とされており、この裾部分に線材Ｗが移動してきた場合でも、線材Ｗに傷等が発生することが抑制される。

なお、ロール部材２０の側面２２は、側面２２の端部近傍における算術平均高さ（Ｒａ）の値が、側面２２の中心近傍の算術平均高さ（Ｒａ）の値に比べて、より大きくなっている。なお、側面２２の端部近傍とは、側面２２の回転軸Ｙに沿って、凸状部２５ａおよび２５ｂの根元部分とし、１ｍｍ以内の範囲とする。側面２２の中心近傍とは、端部近傍を除いた残りの範囲のことをいう。例えば、キャプスタンロール１０では、端部近傍の算術平均高さ（Ｒａ）が０．０６μｍとされ、側面２２の中心近傍の算術平均高さ（Ｒａ）が０．０３μｍとされている。キャプスタンロール１０では、算術平均高さ（Ｒａ）が回転軸Ｙ方向に沿ってこのように分布しており、中心近傍に比べて端部近傍の方が、摺接される線材Ｗに対する摩擦係数が高くなっている。このことにより、キャプスタンロール１０では、端部近傍において線材Ｗの移動が抑制され、線材Ｗ等が側面２２の中心位置に対し、比較的良好に配置される。

図２に示すキャプスタンロール１０では、ロール部材２０の両端部に設けられた、凸状部２５ａおよび２５ｂは、内面（中心線Ｃ側の面）が、側面２２に対して略垂直とされている。回転軸Ｙ方向に沿って側面２２を移動する線材Ｗは、凸状部２５ａおよび２５ｂの内面で、この移動が比較的良好に抑制される。また、保持部材２４の鍔部４２の内面（中心線Ｃ側の面）は、鍔部４２の突出頂部に近づくにしたがって端部側に近づくように傾斜している。鍔部４２の内面がこのように傾斜していることで、線材Ｗがロール部材２０の側面２２に近づく際、線材Ｗが鍔部４２の内面に当接した場合でも、線材Ｗが比較的スムーズに側面２２に案内され、線材Ｗ表面の傷の発生や、線材Ｗの断線等が抑制される。

キャプスタンロール１０は、少なくとも側面２２がジルコニアからなる。摺接面２０をジルコニアで構成した場合、キャプスタンロール表面の耐久性、耐衝撃性、耐熱性を、比較的高いものとすることができる。また、ジルコニアの線膨張係数は、金属の線膨張係数と近いため、金属からなる保持部材に組み込んだ状態でも、熱膨張による寸法のずれ等が生じない。なお、キャプスタンロールの表面は、ジルコニアで構成されることに限定されず、例えばジルコニア以外のセラミックス、例えばアルミナや窒化珪素、ジルコニア強化アルミナ（ＺＴＡ）、炭化珪素等から構成されていてもよい。なお、キャプスタンロールの表面は、セラミックスであることにも限定されない。

また、図１に示すキャプスタンロールは、後に詳述するように、側面２２が研削・研磨加工されて作製されたものである。一般的なセラミックス材料は、例えば金属等と比較すると破壊靱性値が比較的小さいが、ジルコニアはそのセラミックスの中でも比較的破壊靱性値が大きい。このため、ジルコニアは、研削加工した際、研削後の表面の欠陥（ボイド等）が比較的少なく、表面（摺接面２）が鏡面になり易い傾向を有している。また、一方、ジルコニアは、セラミックスの中で比較的破壊靱性値が大きい為、研削面に、塑性流動型の研削状痕を生じやすい。すなわち、研削加工によって形成されたキャプスタンロールの側面２２には、摺接面２の周方向に沿って比較的長く、細かい凹部および凸部が存在している。図１に示すキャプスタンロール１にも、周方向に沿って連続した凹部および凸部からなる、研削状痕が存在している。この研削状痕によって、線材Ｗの側面２２における位置ずれが比較的良好に抑制される。

図３は、図１に示すキャプスタンロールを備えて構成される伸線機の一実施例を示す概略断面図である。図３の伸線機１は、いわゆる並列掛け伸線構造となっている。伸線機１では、機台１２に回転軸１３および回転軸１４が設けられており、回転軸１３および回転軸１４の双方に、キャプスタンロール１０が固定されている。すなわち、回転軸１３および回転軸１４の回転に従動し、各々の回転軸に固定されたキャプスタンロール１０が、それぞれ回転する。回転軸１３と回転軸１４との間隙には、複数のダイス（ダイス群）が配置されている。上述のように、キャプスタンロール１０は、各部分毎にロール部材２０の外周径が異なり、複数段の摺接面（側面２２）を備えている。

機台１２の底部には、駆動モータ１５、駆動プーリー１８、従動プーリー１６および１７、駆動ベルト１９が備えられている。駆動プーリー１８と従動プーリー１６および１７には、駆動ベルト１９が掛け回されており、駆動モータ１５によって駆動プーリー１８が回転され、従動プーリー１６および１７の双方も従動して回転する。従動プーリー１６は回転軸１３と接続され、駆動プーリー１７は回転軸１４と接続されており、駆動モータ１５によって、回転軸１３および１４が回転駆動される。

伸線機１では、案内ローラを介して外部から送られてくる線材Ｗを、２つのキャプスタンロール１０に掛け回しながら搬送する。具体的には、外部から送られてくる線材Ｗを、キャプスタンロール１０間に配置したダイス群に通過させ、駆動モータ１５の駆動によりキャプスタンロール１０を回転させる。この際、線材Ｗは、キャプスタンロール１０の複数段状の摺接面（側面２２）のうち、径の小さい方から径の大きい方へと、順次掛け回されていく。線材Ｗは、例えば金（Ａｕ）からなる。線材Ｗは、金（Ａｕ）以外でも、例えばＣｕ、Ａｇ、Ａｌなど各種金属線であってもよい。

伸線機１では、伸線機１の駆動モータ１５の駆動により、キャプスタンロール１０が回転され、線材Ｗはダイス群内を強制的に順次通過しつつ縮径されて伸線される。

本実施形態のキャプスタンロール１０は、図３に一例で示すような伸線機に用いられる。かかる伸線機において、キャプスタンロール１０は線材Ｗを引き伸ばすとともに、線材Ｗの搬送方向を規定して、線材Ｗの搬送をガイドする。

図１および２に示すキャプスタンロール１０は、セラミックス製キャプスタンロールである。キャプスタンロール上へは金属細線による機械的応力がほとんどかからない上、セラミックスの一般的な特徴として耐摩耗性に優れていることから、軟質の高純度金属の細線であってもダイヤモンド・ダイスによって縮径され、キャプスタンロール上を摺接しながら連続的に伸線を行うことが出来る。

なお、図１に示すキャプスタンロール１は、線材Ｗと摺接する摺接面２の輪郭曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が、０．００５〜０．０１ｍｍとされている。輪郭曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）を、これらの範囲とすることで、線材Ｗが比較的小さくい場合でも、線材Ｗに生じる傷等のダメージの程度を比較的小さくすることが出来る。なお、キャプスタンロールの輪郭曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）は、０．００５ｍｍより小さくとも構わない。キャプスタンロールの輪郭曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が、０．００５ｍｍより小さくとも、算術平均粗さのみを規定したキャプスタンロールに比べて、線材Ｗに生じる傷等のダメージの程度を比較的小さくすることが出来る。

尚、図３では、２本のキャプスタンロール１０を用いた装置を示しているが、４本など、さらにキャプスタンロール１０の本数の増えた装置であってもよい。

ここで、輪郭曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）は、ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１に準拠した値である。輪郭曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）の測定には、例えば、株式会社小坂研究所 表面粗さ測定器 サーフコーダＳＥ−２３００を用いて、基準長さ０．４ｍｍでカットオフ値を０．０８ｍｍとすればよい。なお、輪郭曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）は、ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１に準拠した値であればよく、上記測定器を用いた値でなくとも構わない。

かかるキャプスタンロール１０は、例えば以下のように製造することができる。まず、セラミックからなる円環状のベース部材（ロール部材２０の前駆体）を作製し、各前駆体を金属製の保持部材２４に装着する。この前駆体の状態では、側面に凸状部２５ａおよび２５ｂを有している必要はなく、単なる円環状であればよく、公知の成型方法を用いて比較的安価に作製することができる。例えば、側面２２を含む最外層のみをジルコニアとした、円環状のベース部材（ロール部材２０の前駆体）を作製し、このベース部材を保持部材２４Ａおよび２４Ｂによって挟持するように保持・固定する。この際、ベース部材の側面の両端の一部は、保持部材２４の凹部４４Ａおよび４４Ｂに嵌合されて保持される。保持部材２４Ａと２４Ｂとを例えばビス２６によって締結し、ベース部材を、保持部材２４Ａと保持部材２４Ｂとによって挟持する。なお、ベース部材を保持部材によって保持する形態は特に限定されず、ベース部材と保持部材とを、例えば接着剤によって接合してもよい。

また、ジルコニアとしては、公知な製造方法で得られるものでよく、ジルコニア粉末をＣＩＰなどの成形方法にて、０．８〜１．５ｔｏｎ／ｃｍ２の成形圧にて成形し、所望の形状に切削加工した後、１３５０〜１６００℃にて焼成し、所望の形状に研削加工し、円環状のベース部材を作製してもよい。また、さらにボイドを小さく、且つ、強度・硬度を高める方法として、焼結後にＨＩＰ処理（熱間部水圧成形）を行うことをしてもよい。尚、必要に応じて仕上げ加工として、ホーニング加工や、ＥＬＩＤ研削、テープ研磨などで仕上げてもよい。例えば、鋳鉄ボンドにて、６０Ｖか９０Ｖの２０〜９０％の範囲で電圧をかけて研削加工を行えばよい。また、例えば、砥粒の入ったテープにて研磨加工を行えばよい。

このように保持部材２４に円環状のベース部材（ロール部材２０の前駆体）を保持・固定した状態で、保持部材２４を、所定の回転軸Ｙを中心に回転駆動させる。この回転駆動の最中に、ベース部材の側面に例えばダイヤモンドツールなどの研削治具を当接させ、ベース部材２０の側面を研削加工する。この研削加工では、ベース部材の端部の、保持部材２４の凹部に嵌合された部分については研削されない。この研削によって、外側に突出した凸状部２５ａおよび２５ｂを、保持部材２４の凹部４４Ａおよび４４Ｂに対応する部分に備えた、ロール部材２０が形成される。

このように、ベース部材（ロール部材２０の前駆体）を保持部材２４によって保持・固定した状態で、回転軸Ｙを中心に回転させながらベース部材の側面を研削加工して作製されたロール部材２０は、その側面２２の断面形状が、回転軸Ｙを中心とした円に精度良く一致する。このため、キャプスタンロール１０を伸線機１に装着し、回転軸Ｙを中心に回転駆動させた場合でも、伸線機における所定の回転中心軸から側面２２までの距離が、回転駆動にともなってバラツクことが抑制される。結果、伸線機１において、キャプスタンロール１０が回転駆動された状態において、側面２２に摺接される線材Ｗにかかる張力が変動し、線材Ｗの断線や絡み等の発生が抑制される。また、研削加工によって形成されたキャプスタンロールの側面２２には、側面２２の周方向に沿って連続した凹部および凸部からなる、研削状痕が形成される。かかる周方向に沿って連続した研削状痕は、側面２２における線材Ｗの位置をガイドし、線材Ｗの回転軸に沿った移動を抑制する。この結果、伸線機１における、線材Ｗのたわみや絡み等の発生は、より効率的に抑制される。

ロール部材２０の形状は、図２に示す実施形態に限定されない。例えば、図４に示すように、保持部材４０の鍔部４２の内面と、ロール部材２０の突出部の内面とが略面一で、いずれも側面２２に対して略垂直にされていてもよい。なお、面一とは、各面を含む仮想平面同士が、略一致した状態をいう。また、例えば図５に示すように、保持部材４０の鍔部４２の内面と、ロール部材２０の突出部の内面とが略面一で、突出頂部に近づくにつれて端部に向かって拡がるように傾斜していてもよい。また、図６に示すように、保持部材４０の鍔部４２の内面と、ロール部材２０の突出部の内面とが、突出頂部に近づくにつれて端部に向かって拡がるように異なる角度で傾斜しており、境界部分において屈曲部が形成されていてもよい。また、図７(ａ)（ｂ）に示すように、保持部材４０の鍔部４２の内面と、ロール部材２０の突出部の内面と略面一でなく、ロール部材２０と保持部材との接合部分において段差が形成されていてもよい。このように、ロール部材２０および保持部材４２の形状・接合状態については、特に限定されず、伸線機の特性や線材の特性など、各種条件に応じた好ましいキャプスタンロールを用いればよい。

また、図２では、線材Ｗの断面形状を略円形で示しているが、例えば多角形状であってもよく、線材Ｗの断面形状は特に限定されない。また、本発明では、図３に示すコーン型のキャプスタンロール１以外に、図８に示すようなキャプスタン径が一定であるロール型のものであってもよい。本発明は上記実施例で示す構造に限られるものではなく、例えばキャプスタンロール１の構造や駆動系統、張力制御機構、速度同調手段の構造及び回路構成等は適宜変更して設計される。また、本発明は、キャプスタンロールのみではなく、ダイスや圧延ロールなど、線材を摺接して用いるものに対して適用することができる。

以上、本発明のキャプスタンロールおよび伸線機について説明したが、本発明ののキャプスタンロールおよび伸線機は上記実施例に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。

１ キャプスタンロール
２ 摺接面
３ 鍔
４ 貫通孔
１２ 機台
１３、１４ 回転軸
１５ 駆動モータ
１６、１７ 従動プーリー
１８ 駆動プーリー
１９ 駆動ベルト
１００ 伸線機

Claims (10)

1. 被加工物が摺接される側面を備える柱状のセラミック部材と、
   前記セラミックス部材の一方主面および他方主面と当接し、前記セラミック部材を保持する保持部材と、を備えて構成されたキャプスタンロールであって、
   前記セラミック部材の前記側面は、前記一方主面の側の端部領域および前記他方主面の側の端部領域の双方に、外側に突出した凸状部を備え、
   前記側面は、前記端部の近傍における算術平均高さ（Ｒａ）の値が、前記側面の略中心線を含む中心近傍の算術平均高さ（Ｒａ）の値に比べて、より高いことを特徴とするキャプスタンロール。
2. 前記保持部材は、前記セラミック部材の前記凸状部よりも外側に突出する鍔部を備えることを特徴とする請求項１記載のキャプスタンロール。
3. 前記保持部材は、前記セラミック部材と当接する側の面に凹部を有し、前記セラミック部材の一部が前記凹部に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載のキャプスタンロール。
4. 前記セラミック部材の前記凸状部の、前記側面の略中心線の側の面は、前記側面に対し略直交するとともに、前記鍔部の前記中心線の側の面は、前記鍔部の突出頂部に近づくにしたがって端部側に近づくように傾斜していることを特徴とする請求項３に記載のキャプスタンロール。
5. 前記側面の略中心線と、前記鍔部の前記中心線の側の面との距離に比べ、
   前記中心線と、前記セラミック部材の前記凸状部の前記中心線の側の面との距離が、より小さいことを特徴とする請求項３記載のキャプスタンロール。
6. 前記セラミック部材の前記凸状部の、前記側面の略中心線の側の面を含む第１仮想平面と、前記鍔部の前記中心線の側の面を含む第２仮想平面と、が略一致することを特徴とする請求項３記載のキャプスタンロール。
7. 前記セラミック部材の前記凸状部の、前記側面の略中心線の側の面は、前記凸状部の突出頂部に近づくにしたがって前記端部領域に近づくように傾斜していることを特徴とする請求項５または６記載のキャプスタンロール。
8. 前記凸状部の裾部分の曲率半径が、Ｒ０．３ｍｍ〜Ｒ１ｍｍであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のキャプスタンロール。
9. 前記セラミック部材が、ジルコニアを主成分とすることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のキャプスタンロール。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載のキャプスタンロールを備えることを特徴とする伸線機。

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