JP5638277B2 - ワイヤソーの電力供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体材料、セラミック、ガラス基板等の脆性材料からなるワークをワイヤによりウエハ状に切断するワイヤソーの電力供給装置に関するものである。

従来から、半導体材料等のワークを切断する手段としてワイヤソーが知られている。ワイヤソーは、複数のガイドローラ間に切断用ワイヤが巻き掛けられることにより該ワイヤが多数本並んだ状態で張設され、かつその軸方向に高速駆動された状態で、この軸方向と直交する方向に半導体インゴットが切断送りされることによりワークを切断する。

ワイヤソーでは、停電等により電力供給が遮断された場合には、断線やこれによるワーク損傷を回避するために各ガイドローラをそれらの同期を保ちつつ安全に停止させる必要がある。従来は、そのための手段として無停電電源装置（ＵＰＳ：Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ）を設けてワイヤソー全体の電力をバックアップすることが行われていたが、最近では、例えば特許文献１に記載されるように、制御系の電源だけをＵＰＳでバックアップし、その他の動力系（ガイドローラ駆動用のサーボモータ）の電源については、サーボアンプに設けられる電圧平滑化用の電解コンデンサに蓄電される電力を用いることが行われている。つまり、モータが減速動作に入れば、その後は回生制動によりモータを正常に停止させることが可能となるため、この減速動作移行時の電力だけを電解コンデンサに蓄積された電力で補うことにより、切断用ワイヤの走行を正常な状態で停止させる一方で、ＵＰＳの負担を軽減して装置のコンパクト化、低廉化を図ることが行われている。

特開平１１−１０６３７号公報

近年、太陽電池用のシリコンウエハの切り出し等、ワイヤソーは、比較的大型のワークを切断することが求められている。大型ワークの切断ではモータへの負荷が増すため、このような高負荷切断中に停電等が発生して電力供給が遮断されると、その負荷による制動がモータにかかるために回生電力を効率良く発生させることができず、十分な回生電力を得るまでに時間を要するといった不都合が考えられ、サーボアンプに設けられる電解コンデンサに蓄積される電力だけでモータを正常に停止させることが難しい場合が生じ得る。従って、この点を改善することが求められる。

なお、特許文献１には、電解コンデンサに蓄積される電力だけでは十分でない場合を想定してサーボアンプとは別に電力蓄電ユニットを設けることが記載されているが、これでは装置の大型化を伴うこととなり望ましくない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、装置の大型化を抑えながら、停電等の発生時により確実かつ正常に切断用ワイヤの走行を停止させ得るようにすることを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、モータの駆動により軸方向に走行する切断用ワイヤを有し、この切断用ワイヤに対してその軸方向と直交する方向にワークを相対的に切断送りすることにより当該ワークを切断するワイヤソーの電力供給装置であって、電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、前記コンバータ部で変換された直流電力を平滑化するとともに蓄積する平滑部と、平滑化された直流電力を交流電力に変換してモータを駆動するインバータ部と、前記電源からの交流電力の供給停止又は電圧低下時に前記平滑部に蓄積された電力を用いてモータを減速動作に移行すべく前記インバータ部を制御する制御部とを備えており、 前記平滑部として電気二重層キャパシタとこれよりも蓄電容量の小さい電解コンデンサであってかつ電気二重層キャパシタの放電開始直後の電圧降下分の電力を補うことが可能な蓄電容量を有する電解コンデンサとを有し、前記減速動作時には、これら電気二重層キャパシタ及び電解コンデンサに蓄積された電力が交流電力に変換されて前記モータに供給されるものである。

この電力供給装置では、電源から供給される交流電力が直流電力に変換され、これが平滑化された上で所定の周波数及び電圧の交流電力に変換されてモータに供給される。その一方で、平滑化された直流電力が平滑部に蓄積され、停電時等には、この平滑部に蓄積された電力が減速動作用の電力としてモータに供給される。この場合、平滑部として電解コンデンサとこれに比べて高い蓄電能力を有する電気二重層キャパシタが設けられていることにより、コンパクトな装置構成を保ちながらモータ減速用の電力をより多くバックアップすることが可能となる。また、電気二重層キャパシタによる初期放電時の電圧降下が電解コンデンサにより蓄積される電力により補完されるため、モータを減速動作に移行するために必要な電力（電圧）をより確実にかつ長期的にバックアップすることが可能となる。

以上説明した本発明の電力供給装置によれば、コンパクトな装置構成を保ちながらモータの減速動作用の電力をより多くバックアップすることが可能であり、従って、大型ワークの切断等、高負荷切断中に停電等が発生した場合でも、切断用ワイヤの走行をより確実にかつ正常に停止させることが可能となる。

本発明の電力供給装置が適用されるワイヤソーを示す全体構成図である。 電力供給装置の一例を示す概略図である。 電気二重層キャパシタ及び電解コンデンサの放電特性を示す図である。

図１は、本発明に係る電力供給装置が適用されるワイヤソーの全体構成図である。

この図に示すワイヤソーは、一対のワイヤ繰出し・巻取り装置１０Ａ，１０Ｂ、ガイドプーリ１２Ａ，１２Ｂ、ガイドプーリ１４Ａ，１４Ｂ、ガイドプーリ１６Ａ，１６Ｂ、ワイヤ張力調節装置１８Ａ，１８Ｂ、ガイドプーリ２２Ａ，２２Ｂ、及び４つのガイドローラ２４Ａ，２４Ｂ，２６Ａ，２６Ｂを備えている。

ガイドローラ２４Ａ，２４Ｂは互いに同じ高さ位置に配され、ガイドローラ２６Ａ，２６Ｂはそれぞれガイドローラ２４Ａ，２４Ｂの下方の位置に配されており、各ガイドローラ２４Ａ，２４Ｂ，２６Ａ，２６Ｂがそれぞれ駆動モータ２５によって回転駆動されるようになっている。同図では、駆動モータ２５はガイドローラ２６Ａのもののみ示している。

各ワイヤ繰出し・巻取り装置１０Ａ，１０Ｂは、切断用のワイヤＷが巻かれるボビン９Ａ，９Ｂと、これを回転駆動するボビン駆動モータ１１Ａ，１１Ｂとを備えている。一方のワイヤ繰出し・巻取り装置１０Ａのボビン９Ａから繰出されたワイヤＷは、ガイドプーリ１２Ａ，１４Ａ，１６Ａ、ワイヤ張力調節装置１８Ａのプーリ２０Ａ、及びガイドプーリ２２Ａの順に掛けられ、さらにガイドローラ２４Ａ，２４Ｂ，２６Ｂ，２６Ａの外周面のガイド溝（図示省略）に嵌め込まれながらこれらガイドローラの外側に多数回螺旋状に巻回された（巻き掛けられた）後、ガイドプーリ２２Ｂ、ワイヤ張力調節装置１８Ｂのプーリ２０Ｂ、ガイドプーリ１６Ｂ，１４Ｂ，１２Ｂの順に掛けられ、他方のワイヤ繰出し・巻取り装置１０Ｂのボビン９Ｂに巻き取られており、両ワイヤ張力調節装置１８Ａ，１８ＢによってワイヤＷに適当な張力が与えられている。そして、駆動モータ２５によるガイドローラ２６Ａの回転駆動方向と、各ボビン駆動モータ１１Ａ，１１Ｂによるボビン９Ａ，９Ｂの回転駆動方向が正逆に切換えられることにより、ワイヤＷがボビン９Ａから繰出されてボビン９Ｂに巻き取られる状態と、ワイヤＷがボビン９Ｂから繰出されてボビン９Ａに巻き取られる状態とに切換えられるようになっている。すなわち、このワイヤソーにおいては、ガイドローラ２４Ａ，２４Ｂの間に多数本のワイヤＷが互いに平行な状態で張られながらその軸方向に往復駆動されるようになっている。

このガイドローラ２４Ａ，２４Ｂ間に張られたワイヤＷの上方には、円柱状のワーク（例えば半導体インゴット）２８を移動させるワーク送り装置３０が設けられている。このワーク送り装置３０は、ワーク保持部３２と、ワーク送りモータ３４とを備えている。ワーク保持部３２は、上記ワーク２８をその軸方向とワイヤ並び方向とが合致する向きに保持するものであり、ワーク送りモータ３４は、図略のボールネジとの組み合わせにより、上記ワーク保持部３２とワーク２８とを一体に昇降させる（切断送りする）ものである。

ガイドローラ２４Ａ，２４Ｂ間に張られたワイヤＷの上方において、ワーク２８の左右両側の位置には、砥粒供給装置３６Ａ，３６Ｂが設けられている。これらの砥粒供給装置３６Ａ，３６Ｂは、高速駆動される各ワイヤＷに対して、砥粒が混合された加工液（スラリ）を供給してワイヤＷの表面に付着させるものである。

従って、このワイヤソーでは、ガイドローラ２４Ａ，２４Ｂ間に張られた多数本のワイヤＷがその長手方向に同時高速駆動され、かつこれらのワイヤＷに砥粒供給装置３６Ａ，３６Ｂからスラリが供給されながら、ワーク２８がワイヤＷに対して切断送りされることにより、このワーク２８から一度に多数枚のウエハ（薄片）が同時に切り出される。

なお、同図中、符号１９Ａ，１９Ｂはそれぞれワイヤ張力調節装置１８Ａ，１８Ｂを駆動する駆動モータである。このワイヤソーでは、これらの駆動モータ１９Ａ，１９Ｂを含むワイヤ駆動用のモータ（駆動モータ２５、ボビン駆動モータ１１Ａ，１１Ｂ等）は、何れもサーボモータから構成されている。

次に、上記ワイヤＷの駆動を制御する制御系の構成について図２を用いて説明する。

図２において、符号４０は、ワイヤソーの電源である三相交流電源（以下、電源と略す）であり、符号４２は、駆動モータ２５の駆動を制御するサーボアンプである。本発明では、このサーボアンプに本発明の電力供給装置が適用されている。なお、サーボアンプ４２は、ワイヤＷを駆動する前記モータ２５，１１Ａ，１１Ｂ，１９Ａ，１９Ｂ毎にそれぞれ設けられるが、図２では、便宜上、ガイドローラ２６Ａを駆動する駆動モータ２５とそのサーボアンプ４２のみを図示している。

前記サーボアンプ４２は、コンバータ部４４、平滑部４６、インバータ部４８及び制御部５０を含み、前記電源４０がコンバータ部４４に、駆動モータ２５がインバータ部４８にそれぞれ接続されている。

コンバータ部４４は、三相交流電源からの交流電力を直流電力に変換するもので、インバータ部４８は、コンバータ部４４で変換された直流電力を所定周波数及び電圧の三相交流電力に変換する。これらコンバータ部４４とインバータ部４８とは一対の直流電路を介して接続されている。

平滑部４６は、コンバータ部４４により変換された直流電力を平滑化するとともにその直流電力を蓄積するもので、駆動モータ２５を減速動作に移行させるために必要な電力を蓄積可能な蓄電能力を有する。

この平滑部４６は、電気二重層キャパシタ４６ａと電解コンデンサ４６ｂとからなり、これら電気二重層キャパシタ４６ａと電解コンデンサ４６ｂとは互いに並列に前記直流電路間に設けられている。これにより停電や瞬低（電源４０の瞬時停電や瞬時電圧低下）により適正な電力供給が妨げられたときには、これら電気二重層キャパシタ４６ａ及び電解コンデンサ４６ｂに蓄積された電力が減速開始用の駆動電力として駆動モータ２５に供給される。なお、これら電気二重層キャパシタ４６ａ及び電解コンデンサ４６ｂのうち、停電や瞬低の際に駆動モータ２５に供給するための電力の大部分は電気二重層キャパシタ４６ａに蓄積され、電解コンデンサ４６ｂは、後述するように、放電開始時（駆動モータ２５に電力供給を開始した時）に生じる電気二重層キャパシタ４６ａの電圧降下を補完するための電力を蓄積する。従って、電解コンデンサ４６ｂの蓄電容量は電気二重層キャパシタ４６ａの蓄電容量に比べて小さい。

制御部５０は、前記インバータ部４８を制御することにより駆動モータ２５への電力供給を制御するものであり、図示を省略するが、このワイヤソーの駆動を統括的に制御するＮＣ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）装置からの制御信号に基づいてインバータ部４８を制御する。

なお、同図中符号６０は、周知のＵＰＳであって、電源４０からの電力の供給状態を検知しながら停電等により電源４０からの電力供給が遮断されると、各サーボアンプ４２の制御部５０及びＮＣ装置に対して電力を供給するとともにＮＣ装置に対して電源４０からの電力供給が停止されたことを示す信号（電力供給停止信号）を出力する。

次に、上記のように構成されたワイヤソーの作用効果について説明する。

このワイヤソーが起動すると所定のウォームアップ動作が実行される。このウォームアップ動作中、各サーボアンプ４２においては、電源４０から供給される交流電力が直流電力に変換されるとともに平滑化され、この直流電力が平滑部４６（電気二重層キャパシタ４６ａ及び電解コンデンサ４６ｂ）に蓄積される。

ウォームアップ動作が完了すると、ＮＣ装置から各サーボアンプ４２の制御部５０に制御信号が出力され、制御部５０によりインバータ部４８が制御されることにより直流電力が所定周波数及び電圧の交流電力に変換されながら各駆動モータ２５、ボビン駆動モータ１１Ａ，１１Ｂ、駆動モータ１９Ａ，１９Ｂ（以下、駆動モータ２５等）に供給される。これによりワイヤＷが高速駆動される一方で、ワーク送り装置３０によりワーク２８が切断送りされ、ワーク２８の切り出しが行われる。そして、各駆動モータ２５及びボビン駆動モータ１１Ａ，１１Ｂの回転駆動方向が交互に切換えられながら、つまりワイヤＷの走行方向が切換えられながらワーク２８の切り出しが進められる。

なお、このようなワイヤＷの走行方向の切換時には、各モータ１１Ａ，１１Ｂ，２５の減速及び加速が行われるため、これにより各モータ１１Ａ，１１Ｂ，２５の減速時には、当該モータ１１Ａ，１１Ｂ，２５で発生する回生電力が各サーボアンプ４２の平滑部４６に蓄積され、その後、各モータ１１Ａ，１１Ｂ，２５の加速時には、この平滑部４６に蓄積された電力が各モータ１１Ａ，１１Ｂ，２５に供給されることとなる。これにより各モータ１１Ａ，１１Ｂ，２５で発生する回生電力がワイヤＷの駆動に有効に活用される。

このようなワイヤソーの駆動中、停電等により電源４０からの電力供給が停止されると、ＵＰＳ６０からＮＣ装置及び各サーボアンプ４２の制御部５０に電力供給が開始される。ＮＣ装置は、サーボアンプ４２の平滑部４６の電圧を監視しており、この電圧が所定電圧以下になる場合に、ＮＣ装置から各サーボアンプ４２の制御部５０にモータ停止指令信号、すなわち駆動モータ２５等を停止させるための制御信号が出力される。

制御部５０は、このモータ停止指令信号の入力に基づき駆動モータ２５等を減速動作に移行すべくインバータ部４８を制御する。この際、停電により電源４０からの電力供給が遮断されているため、各サーボアンプ４２の平滑部４６（電気二重層キャパシタ４６ａ及び電解コンデンサ４６ｂ）に蓄積されている電力が減速開始用の駆動電力として駆動モータ２５等に供給される。このようにして各駆動モータ２５が減速動作に移行すると、その後は、駆動モータ２５等が発電機として機能することにより、その回生電力がモータ減速用の駆動電力として使用されながら駆動モータ２５等が減速制御され、このようにして駆動モータ２５等が減速することにより、駆動モータ２５等がそれぞれ同期した状態で正常に停止することとなる。

以上のように、このワイヤソーでは、停電等により駆動モータ２５等への電力供給が遮断されたときには、各サーボアンプ４２の平滑部４６（電気二重層キャパシタ４６ａ及び電解コンデンサ４６ｂ）に蓄積されている電力を減速開始用の駆動電力として駆動モータ２５等に供給し、駆動モータ２５等をそれらの同期を保ちながら適切に減速させるため、停電時等に、ガイドローラ２４Ａ，２４Ｂ，２６Ａ，２６Ｂが慣性力等により互いに独立して回転してワイヤＷが断線に至るといった不都合を未然に防止することができる。

特に、このワイヤソーによれば、平滑部４６として電解コンデンサに比べて蓄電能力の高い電気二重層キャパシタ４６ａを設けているため、サーボアンプ４２の大型化を抑えながら駆動モータ２５等の減速用の電力をより多くバックアップすることが可能である。

しかも、平滑部４６はこの電気二重層キャパシタ４６ａに電解コンデンサ４６ｂを併用した構成であるため、放電開始直後の初期電圧を適切に確保することができるという利点がある。すなわち、電気二重層キャパシタは蓄電能力が高い一方で、その内部抵抗による電圧降下が大きく、電気二重層キャパシタのみで平滑部４６を構成する場合には、例えば図３中に二点鎖線に示すように、放電開始直後の電圧降下により初期電圧が大幅に下がってしまう。これに対して、電解コンデンサのみで平滑部４６を構成する場合には、同図中の一点鎖線に示すようにそのような顕著な電圧降下はなく、このような特性を有する電気二重層キャパシタ４６ａと電解コンデンサ４６ｂとを併用した上記平滑部４６の構成によると、同図中の実線に示すように、電気二重層キャパシタ４６ａによる初期放電時の電圧降下が電解コンデンサ４６ｂにより蓄積された電力により補完され、その結果、駆動モータ２５等を減速動作に移行するために必要な電力（電圧）を確実にかつ長期的にバックアップすることが可能となる。

従って、このワイヤソーによれば、コンパクトな装置構成を保ちながら駆動モータ２５等の減速動作用の電力をより多くバックアップすることが可能であり、例えば大型のワーク２８を切断する高負荷切断時など、駆動モータ２５等から効率良く回生電力を得ることが難しく十分な回生電力を得るまでに時間を要するような場合でも、サーボアンプ４２（平滑部４６）に蓄積した電力だけで駆動モータ２５等を適切に減速動作に移行させて停止させることが可能となり、その結果、ワイヤＷの走行をより確実かつ正常に停止させることができるようになる。

なお、このワイヤソーでは、上記のように初期電圧を十分に確保し、より長期的な電力をバックアップするために平滑部４６として電気二重層キャパシタ４６ａと電解コンデンサ４６ｂとを併用する構成を採用しているが、電圧降下後の電力で駆動モータ２５を確実に減速、停止させることができるような場合には、電解コンデンサ４６ｂを省略して電気二重層キャパシタ４６ａのみで平滑部４６を構成するようにしてもよい。

また、この実施形態では、駆動モータ２５等を制御するためのサーボアンプ４２に本発明を適用した例について説明したが、勿論、サーボアンプ４２に限定されるものではなく、サーボモータ以外の誘導モータを制御するための装置、すなわち電源から供給される交流電力を直流電力に変換し、これを平滑化した上で所定の周波数及び電圧の交流電力に変換したからモータに供給する装置であれば本発明は適用可能である。

２５ 駆動モータ
４０ 三相交流電源
４２ サーボアンプ
４４ コンバータ部
４６ 蓄電部
４６ａ 電気二重層キャパシタ
４６ｂ 電解コンデンサ
４８ インバータ部
５０ 制御部
６０ ＵＰＳ

Claims (1)

1. モータの駆動により軸方向に走行する切断用ワイヤを有し、この切断用ワイヤに対してその軸方向と直交する方向にワークを相対的に切断送りすることにより当該ワークを切断するワイヤソーの電力供給装置であって、
   電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、前記コンバータ部で変換された直流電力を平滑化するとともに蓄積する平滑部と、平滑化された直流電力を交流電力に変換してモータを駆動するインバータ部と、前記電源からの交流電力の供給停止又は電圧低下時に前記平滑部に蓄積された電力を用いてモータを減速動作に移行すべく前記インバータ部を制御する制御部とを備えており、
   前記平滑部として電気二重層キャパシタとこれよりも蓄電容量の小さい電解コンデンサであってかつ電気二重層キャパシタの放電開始直後の電圧降下分の電力を補うことが可能な蓄電容量を有する電解コンデンサとを有し、前記減速動作時には、これら電気二重層キャパシタ及び電解コンデンサに蓄積された電力が交流電力に変換されて前記モータに供給されることを特徴とするワイヤソーの電力供給装置。

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