JP5512362B2 - ワイヤー工具 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池用シリコンや半導体用シリコン、磁性体、サファイヤ、炭化珪素などの硬質材料をスライス加工する際に使用されるワイヤー工具に関する。

ワイヤー工具には、従来、レジンボンドを用いて砥粒を金属芯線の外周面に固着したレジンワイヤー工具と、電着にて砥粒を芯線の外周面に固着した電着ワイヤー工具と、がある。特許文献１記載の「ワイヤーソー」及び特許文献２記載の「レジンボンドワイヤソー」はレジンボンドを用いて超砥粒を金属芯線の外周面に固着して形成されているため、柔軟性が高く、捩れに起因する断線が無いなどの長所がある。また、加工性能が安定しており、切断加工面の面粗さが良好であり、加工精度が高いなどの点でも優れている。

また、金属芯線とレジンボンドとの固着力を高めるため、レジンボンドを用いて超砥粒を金属芯線の外周に固着する前に、金属芯線の外周にプライマリーコートを施すという技術が提案されている（例えば、特許文献３，４参照。）。

一方、特許文献５には、アルミニウム部材に塗布される親水性塗料の固着力を高めるために、アルミニウム部材の表面にサンドブラスト加工を施した後に親水性塗料を塗布する技術が記載されている。また、特許文献６においては、超砥粒を金属めっき相中に多層状に分散してなる砥粒層を基材上に設けた電着砥石において、前記金属めっき相中に、無方向の３次元網目構造をなす連通気孔を形成する技術が提案されている。

特許第３０７８０２０号公報 特開２００６−８８２７７号公報 特許第４１７５７２８号公報 特開２００１−３３８５３２号公報 特開平８−１６１９４６号公報 特開平３−２７７４７４号公報

特許文献１，２に記載されたワイヤー工具は、砥粒保持力が小さく、加工効率が低いという短所がある。特に、金属芯線とレジンボンドとの固着力が弱いので、加工効率を上げるためにインゴットなどに対する切断速度を速めると、レジンボンドが金属芯線から剥がれ、超砥粒が脱落することがある。

また、特許文献３，４の技術によれば、金属芯線に対するレジンボンドの固着力を高めることができるが、当業者の要求を満たすレベルには達していない。また、プライマリーコートに使用される樹脂は高価であるため、それに見合うだけの限られた用途のワイヤー工具でないと採用できない。

さらに、ワイヤー工具を構成する金属芯線に対するレジンボンドの固着力を高める目的で、特許文献５に記載されているように、金属芯線の外周にサンドブラスト加工を施した場合、金属芯線の外周に破壊起点となる多数の傷が形成されるため、金属芯線の強度が大幅に低下してしまう。このため、ワイヤー工具の分野においては、特許文献５記載の技術を利用することはできない。

一方、引用文献６には砥粒層を形成する金属めっき相が多孔性であることが記載されているが、本願発明と目的及び構成が全く異なる別の発明である。

本発明が解決しようとする課題は、加工効率が高く、捻り強度が高く、切断加工中に断線し難いワイヤー工具を提供することにある。

本発明のワイヤー工具は、金属芯線の外周に施された多孔質のメッキ層と、前記メッキ層の表面にレジンボンドで固着された超砥粒と、を備え、前記超砥粒を固着するレジンボンドの一部が前記メッキ層の孔中に内包されていることを特徴とする。

このような構成とすれば、金属芯線の外周に施されたメッキ層の表面に超砥粒を固着する役目を果たすレジンボンドの一部が、当該メッキ層の多孔質部分に浸透した状態で硬化するので、アンカー効果により、金属芯線とレジンボンドとの固着力が高まり、超砥粒が脱落し難くなる。また、メッキ層の表面に塗布されたレジンボンドのみが多孔質部分に浸透して硬化することにより、レジンボンドが硬化するときの金属芯線側への収縮度が高まるので、レジンボンド表面からの超砥粒の突き出し量が増加し、切れ味が向上する。従って、インゴットなどの被加工物に対する切断速度を速めることが可能となり、加工効率が高くなる。

また、金属芯線の外周に施された多孔質のメッキ層は緻密なメッキ層よりも柔軟な性質を備えているため、従来の電着ワイヤー工具に比べ、捻り強度が高く、切断加工中に断線し難いものとなる。従って、レジンワイヤー工具の長所と、電着ワイヤー工具の長所とを兼備したワイヤー工具を得ることができる。

また、本発明のワイヤー工具においては、前記超砥粒を固着するレジンボンドの一部が前記メッキ層の孔中に内包されている。このような構成とすれば、レジンボンドの一部がメッキ層の孔中に内包されたことにより、アンカー効果が高まるので、金属芯線とレジンボンドとの固着力がさらに増大し、加工効率の向上に有効である。

また、前記超砥粒の少なくとも一部の粒径が前記孔の内径より大であることが望ましい。このような構成とすれば、レジンボンド中の超砥粒がメッキ層の孔中に埋没するのを防止することができるので、切れ味の低下を回避することができる。

さらに、前記メッキ層の厚みが１μｍ〜１０μｍ、前記超砥粒の平均粒径が２μｍ〜３５μｍ、前記孔の平均内径が０．０１μｍ以上で前記超砥粒の平均粒径より小さく、前記孔の割合が３％〜４０％であることが望ましい。ここで、孔の割合とは、気孔率のことであり、メッキ層の単位体積中に存在する孔の開口体積の総和を前記単位体積で除して百分率で表した数値をいう。このような構成とすれば、切れ味、加工効率及び捻り強度をバランス良く備えたワイヤー工具を得ることができる。

なお、前記メッキ層の厚みが１μｍ未満の場合、レジンの浸透量が少なくなり、超砥粒の突き出し量を十分に確保することができなくなり、メッキ層の厚みが１０μｍを超えると、レジンが浸透しない領域が生まれ、ワイヤー工具の線径の増大を招くので、被加工物のカーフロスが多くなり、不適である。また、メッキ層の厚みが１０μｍを超えると、メッキ量が多くなるため、メッキ工程の製造速度を遅くしなければならないという不都合も生じる。よって、メッキ層の厚みは１μｍ〜１０μｍの範囲内が好適である。

また、前記超砥粒の平均粒径が２μｍより小さい場合、超砥粒が十分に突き出すことができなくなり、レジンボンド層も十分な厚みを確保することができないため、必要な切削効率を維持することができず、前記超砥粒の平均粒径が３５μｍを超えると、被加工物の切削面の面粗度が悪化するので、前記超砥粒の平均粒径は２μｍ〜３５μｍの範囲内が好適である。なお、前記超砥粒として、その表面にニッケルコートを施した超砥粒を使用することもできる。

さらに、前記孔の平均内径が０．０１μｍ未満である場合、メッキ層に対するレジンの浸透性が悪化するので、超砥粒の突き出し量が不十分となり、前記孔の平均内径が超砥粒の平均粒径より大きい場合、孔の中に超砥粒が入り込み、且つ、レジンの浸透性も悪化するので超砥粒の突き出し量が減少する。よって、前記孔の平均内径は０．０１μｍ以上で前記超砥粒の平均粒径より小さい範囲が好適である。

一方、前記孔の割合が３％未満である場合、レジンの浸透が不十分となるので、超砥粒の突き出し量を確保することができず、前記孔の割合が４０％を超えると、メッキ層の強度が大幅に低下し、メッキ層が剥れ易くなるという不都合が生じる。よって、前記孔の割合が３％〜４０％の範囲内が好適である。

一方、前記レジンボンドが、無機質フィラー若しくは金属質フィラーを含有することが望ましい。このような構成とすれば、被加工物の切断面の面粗度を向上させること（細かくすること）ができる。

本発明により、加工効率が高く、捻り強度が高く、切断加工中に断線し難いワイヤー工具を提供することができる。

本発明の第１実施形態であるワイヤー工具を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は図１に示すワイヤー工具の製造工程におけるレジンボンドの硬化過程を示す断面図であり、（ｄ），（ｅ）は従来のワイヤー工具の製造工程におけるレジンボンドの硬化過程を示す断面図である。 本発明の第２実施形態であるワイヤー工具を示す断面図である。 第１比較例である従来のワイヤー工具を示す断面図である。 第２比較例である従来のワイヤー工具を示す断面図である。 図１に示すワイヤー工具の製造工程を示す図である。

図１に示すワイヤー工具１０は、金属芯線１１の外周に施された多孔質のニッケルメッキ層１２と、ニッケルメッキ層１２の表面にレジンボンド１３で固着された超砥粒１４と、を備えている。

ワイヤー工具１０においては、金属芯線１１の外周に施されたニッケルメッキ層１２の表面に超砥粒１４を固着する役目を果たすレジンボンド１３の一部が、ニッケルメッキ層１２の多孔質部分に浸透した状態で硬化しているので、アンカー効果により、金属芯線１１とレジンボンド１３との固着力が高く、超砥粒１４が脱落し難いので、長寿命である。

また、ニッケルメッキ層１２の表面に塗布されたレジンボンド１３のみが多孔質部分に浸透して硬化することにより、レジンボンド１３が硬化するとき金属芯線１１側へ大きく収縮するので、レジンボンド１３表面からの超砥粒１４の突き出し量が増加し、優れた切れ味を発揮する。従って、インゴットなどの被加工物に対する切断速度を速めることができ、加工効率が高まる。

ここで、図２を参照して、ニッケルメッキ層１２の表面に塗布されたレジンボンド１３の硬化過程について説明する。図２（ａ）に示すように、多孔質のニッケルメッキ層１２の表面にレジンボンド１３を塗布した直後は、超砥粒１４はレジンボンド１３の表面１３ａより下に埋没した状態にあるが、時間が経過すると、図２（ｂ）に示すように、硬化前のレジンボンド１３がニッケルメッキ層１２の多孔質部分へ浸透するので、レジンボンド１３の表面１３ａは金属芯線１１側へ収縮し、超砥粒１４の一部がレジンボンド１３の表面から突き出した状態となる。この後、レジンボンド１３の表面１３ａに熱を加えると、熱硬化性樹脂であるレジンボンド１３は硬化しながら収縮するので、図２（ｃ）に示すように、レジンボンド１３の表面１３ａは、さらに金属芯線１１側へ収縮し、超砥粒１４の一部はレジンボンド１３の表面１３ａから大きく突き出した状態となる。従って、レジンボンド１３の表面１３ａからの超砥粒１４の突き出し量１４ｈを大きく確保することができる。

一方、従来のレジンワイヤー工具の場合、図２（ｄ）に示すように、金属芯線５１の外周面に直接レジンボンド５３が塗布されるので、硬化までの過程でレジンボンド５３が金属芯線５１に浸透することがない。従って、レジンボンド５３の表面５３ａが金属芯線５１側へ収縮する量は、熱硬化性樹脂であるレジンボンド５３が加熱によって硬化するときの収縮量に留まる。このため、図２（ｅ）に示すように、レジンボンド５３の表面５３ａからの超砥粒５４の突き出し量５４ｈは、図２（ｃ）に示す超砥粒１４の突き出し量１４ｈより少ないものとなる。

図２（ｃ），（ｅ）を対比すると分かるように、ワイヤー工具１０は、レジンボンド１３の表面１３ａからの超砥粒１４の突き出し量１４ｈを、従来のワイヤー工具よりも大きく確保することができるので、優れた切れ味を発揮する。

また、ワイヤー工具１０において、金属芯線１１の外周に施された多孔質のニッケルメッキ層１２は従来の緻密なニッケルメッキ層よりも柔軟な性質を備えているため、従来の電着ワイヤー工具に比べ、捻り強度が高く、切断加工中に断線し難いものとなる。従って、ワイヤー工具１０は、レジンワイヤー工具の長所と、電着ワイヤー工具の長所とを兼備したものとなる。

さらに、ワイヤー工具１０においては、超砥粒１４を固着するレジンボンド１３の一部がニッケルメッキ層１２の孔中に内包されているため、アンカー効果が高く、金属芯線１１とレジンボンド１３との固着力が強い。このため、被加工物に対する切断速度を増すことが可能となり、加工効率を向上させることができる。

一方、ワイヤー工具１０においては、超砥粒１４の粒径がニッケルメッキ層１２の多孔質部分を形成する孔の内径より大であるため、レジンボンド１３中の超砥粒１４がニッケルメッキ層１２の孔中に埋没することがなく、切れ味の低下を回避することができる。

なお、ワイヤー工具１０においては、ニッケルメッキ層の厚みが２μｍ、超砥粒１４の平均粒径が１０μｍ、ニッケルメッキ層１２の孔の平均内径が０．０１μｍ以上で超砥粒１４の平均粒径より小さく、前記孔の割合が１８％となっている。このような構成としたことにより、切れ味、加工効率及び捻り強度をバランス良く備えたワイヤー工具１０を得ることができた。

次に、図３に示すワイヤー工具２０は、金属芯線１１の外周に施された多孔質のニッケルメッキ層１２と、ニッケルメッキ層１２の表面にレジンボンド１３で固着された超砥粒１４と、を備えるとともに、レジンボンド１３が無機質フィラー１５を含有している。このような構成のワイヤー工具２０で被加工物を切断したところ、その切断面の面粗度を向上させること（細かくすること）ができた。なお、無機質フィラー１５の代わりに、若しくは無機質フィラー１５と共に、レジンボンド１３中に金属質フィラーを含有させることも可能である。

次に、図１，３に示すワイヤー工具１０，２０の切断性能について、図４，図５に示す従来のワイヤー工具３０，４０と対比しながら説明する。図４に示す第１比較例のワイヤー工具３０においては、金属芯線３１の外周にレジンボンド３３で超砥粒３４が固着されている。図５に示す第２比較例のワイヤー工具４０は、金属芯線４１の外周に施された孔なしの緻密なニッケルメッキ層４２と、ニッケルメッキ層４２の表面にレジンボンド４３で固着された超砥粒４４と、を備えている。

ワイヤー工具３０，４０，１０，２０を使用して、被加工物であるシリコンインゴットの切断試験を行ったところ、表１に示すように超砥粒の平均突き出し量（μｍ）の多少により、切断速度（ｍｍ／ｈｒ）に違いが生じることが判明した。

即ち、多孔質のニッケルメッキ層１２（図１，図３参照）を備えていない従来のワイヤー工具３０，４０は、超砥粒の平均突き出し量がそれぞれ３．９μｍ，４．７μｍと少ないので、切れ味が悪く、切断速度が５５ｍｍ／ｈｒ程度であるのに対し、多孔質のニッケルメッキ層１２を備えたワイヤー工具１０，２０の平均突き出し量はそれぞれ７．５μｍ，７．０μｍであるので、切れ味が良く、切断速度は６３ｍｍ／ｈｒ，６５ｍｍ／ｈｒである。即ち、ワイヤー工具１０，２０の切断速度は、従来のワイヤー工具３０，４０より１６％程度向上していることが判明した。

次に、図１，図６に基づいて、ワイヤー工具１０の製造方法について説明する。図６に示すように、金属芯線１１であるピアノ線を矢線方向に連続的に供給し、アルカリ脱脂槽１、水洗槽２、酸洗浄槽３及び水洗槽４の順番に金属芯線１１を浸漬通過させることにより脱脂処理を行う。水洗槽４内を通過した金属芯線１１は、ニッケル微粉が添加されたニッケルメッキ槽５内を浸漬通過することにより、金属芯線１１の外周面に多孔質のニッケルメッキ層１２が施される。

ニッケルメッキ層１２が施された金属芯線１１は、熱硬化性樹脂であるウレタンアクリレート樹脂と、２μｍの金属被覆膜が施された平均粒径１０μｍの超砥粒１４とを含むスラリーＳが収容されたデップ槽６内をその底面からスラリーＳ表面に向かって通過することにより、ニッケルメッキ層１２の表面に超砥粒１４を含むレジンボンド１３が塗布される。デップ槽６の直上には、レジンボンド１３の塗布厚みを一定にするためのダイス７が配置されている。

レジンボンド１３が塗布された金属芯線１１はダイス７を通過した後、焼成炉８にて約３００℃の熱が加えられることにより、図２（ａ）〜（ｃ）に示す過程を経て、レジンボンド１３が硬化、収縮し、製品であるワイヤー工具１０が完成する。

本発明のワイヤー工具は、太陽電池用シリコンや半導体用シリコン、磁性体、サファイヤ、炭化珪素などの硬質材料をスライス加工する手段として、各種電気・電子機器類の製造業の分野において広く利用することができる。

１ アルカリ脱脂槽
２，４ 水洗槽
３ 酸洗浄槽
５ ニッケルメッキ槽
６ デップ槽
７ ダイス
８ 焼成炉
１０，２０，３０，４０ ワイヤー工具
１１，３１，４１，５１ 金属芯線
１２，４２ ニッケルメッキ層
１３，３３，４３，５３ レジンボンド
１３ａ，５３ａ 表面
１４，３４，４４，５４ 超砥粒
１４ｈ，５４ｈ 突き出し量
１５ 無機質フィラー
Ｓ スラリー

Claims (4)

1. 金属芯線の外周に施された多孔質のメッキ層と、前記メッキ層の表面にレジンボンドで固着された超砥粒と、を備え、前記超砥粒を固着するレジンボンドの一部が前記メッキ層の孔中に内包されていることを特徴とするワイヤー工具。
2. 前記超砥粒の少なくとも一部の粒径が前記孔の内径より大であることを特徴とする請求項１記載のワイヤー工具。
3. 前記メッキ層の厚みが１μｍ〜１０μｍ、前記超砥粒の平均粒径が２μｍ〜３５μｍ、前記孔の平均内径が０．０１μｍ以上で前記超砥粒の平均粒径より小さく、前記孔の存在割合が３％〜４０％であることを特徴とする請求項１または２記載のワイヤー工具。
4. 前記レジンボンドが、無機質フィラー若しくは金属質フィラーを含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のワイヤー工具。

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