KR20020002426A - 다이아몬드 주입식 와이어를 이용하여 작업편을 절단하는요동 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

실질적으로 원통형인 작업편을 작업편의 종축에 대해 일반적으로 직각인 방향으로 절삭하기 위한 장치는 부착된 복수개의 절삭 요소를 갖는 와이어와, 작업편을 가로지르고 작업편을 관통하는 와이어를 구동시키기 위한 와이어 구동 기구를 포함한다. 와이어 구동 기구는 작업편의 종축을 가로질러 와이어를 직각으로 이동시키는 캡스턴과, 종축 주위로 와이어를 진동시키는 회전 구동부와, 작업편의 종축을 통해 와이어를 직각으로 전진시키는 전진 구동부를 포함한다. 기재된 특정 실시예에서, 장치는 작업편의 종축 주위로 와이어 구동 기구에 대해 실질적으로 요동 운동을 부과하고 와이어 절삭 요소는 다이아몬드가 함침된다.

Description

다이아몬드 주입식 와이어를 이용하여 작업편을 절단하는 요동 장치 및 방법 {ROCKING APPARATUS AND METHOD FOR SLICING A WORK PIECE UTILIZING A DIAMOND IMPREGNATED WIRE}

대부분의 현재의 반도체 및 집적 회로 장치는 실리콘 기판 상에 제작된다. 기판 자체는 임의 배향된 정자(crystallite)를 갖는 가공하지 않은 다결정 실리콘을 이용하여 초기에 생성된다. 그러나, 이러한 상태에서, 실리콘은 반도체 장치 제조에 필요한 전기 특성을 나타내지 않는다. 약 1400℃의 온도에서 고순도의 다결정 실리콘을 가열함으로써, 단일 결정 실리콘 시드(seed)는 그후 용융물에 부가될 수 있고 동일 배향의 시드를 구비한 단일 결정질 주괴가 끌어 당겨질 수 있다. 초기에, 그러한 실리콘 주괴는 현재의 기술이 150mm(6인치) 또는 200mm(8인치) 직경의 주괴를 생산할 수 있지만 1 내지 4인치 정도의 비교적 작은 직경을 갖는다. 최근의 결정 성장 기술의 개량으로 인해 현재 300mm(12인치) 또는 400mm(16인치)직경의 주괴를 생산할 수 있게 된다.

주괴를 생산하게 되면, 주괴는 절단하여 만들어야 하며 (즉, 주괴의 두부 및 미부는 제거되어야 하며) 그후 분리되거나 집적된 회로 반도체 장치를 위한 몇몇 다이로 이후에 가공하기 위해 각각의 웨이퍼로 절단하여야 한다. 주괴를 절단하여 만들기 위한 주요 방법은 비교적 얇은 신축성 날을 구비한 밴드 톱을 이용하는 일이다. 그러나, 밴드 톱날 고유의 상당한 양의 불규칙 진동은 매우 큰 "커프(kerf)" 손실과 그후 겹쳐지게 되는 절삭날 톱니 모양 자국을 가져오게 된다.

현재에, 주괴를 웨이퍼로 절단하기 위한 2가지 주요 기술, 즉 ID(내경) 구멍 톱과 슬러리 톱이 있다. 전자는 단일 결정 실리콘을 절단하기 위해 미국에서 널리 이용되고 날의 절삭 모서리가 날의 불규칙 진동과 결정 구조물의 손상을 줄이는 시도로 내경에서 중심에 배치된 구멍에 인접한다는 사실로 인해 그렇게 불려지게 된다. 이러한 기술 고유의 단점 중에서 실리콘 주괴의 직경이 증가할 때, ID 구멍 톱은 움직일 수 없는 경우가 아니라면 주괴를 통해 다루기 힘들게 되는 지점까지 줄곧 절단할 수 있도록 주괴 직경의 3배로 증가되어야 한다는 점이다.

전술된 대로, 미국에서 또한 이용되기는 하나 주로 태평양 주변 국가에서 이용되는 또 다른 기술은 슬러리 톱이다. 슬러리 톱은 매우 긴 와이어가 그 주위에 고리로 만들어져 있고 그후 실리콘 카바이드 또는 붕소 카바이드 슬러리가 와이어 상에 적하될 때 주괴를 통해 구동되는 일련의 맨드릴을 포함한다. 와이어 파손은 상당한 문제점이고 톱 고장 시간은 와이어를 교체해야 할 때 현저해질 수 있다. 또한, 주괴 직경이 300mm 내지 400mm로 증가할 때, 주괴를 통한 와이어의 견인은와이어 게이지가 증가되지 않는다면 더욱 더 파손의 가능성이 있는 지점에 도달되어 더 큰 "커프" 손실을 가져오게 된다. 중요한 것은 슬러리 톱은 큰 직경의 주괴를 절단하는 데 많은 시간이 걸릴 수 있다.

마찬가지로 ID 구멍 톱 기술의 경우와 같이, 과도한 "커프" 손실로 인해 더 적은 웨이퍼를 가져오게 되어 주어진 주괴로부터 웨이퍼당 수반되는 더 큰 비용으로 절단해낼 수 있게 된다. 또한, ID 구멍 톱의 긁힌 자국 및 슬러리 톱 와이어의 고르지 못한 절단은 외부 표면 반점 및 결함을 제거할 뿐만 아니라 유사한 매끄러운 웨이퍼면을 만들도록 길고 비용이 많이 드는 래핑 작업에 대한 필요성을 증가시키게 된다. 이러한 과도한 래핑 작업은 또한 한층 더 많은 양의 실리콘 카바이드와 오일 또는 알루미늄 산화물 슬러리를 필요로 하게 되고, 그 최종 처리는 잘 알려진 환경 문제를 발생시킨다.

제조업체이며 다이아몬드 주입식 절삭 와이어 및 와이어 톱의 판매자인 콜로라도주 콜로라도 스프링 소재의 레이저 테크롤러지 웨스트 리미티드(Laser Technology West, Limited)는 상표명 수퍼와이어(Superwire) 및 수퍼로크(Superlock)로서 판매된 독점적인 다이아몬드 주입식 와이어를 이전에 개발 및 제작해왔다. 이들 와이어는 (20 내지 120 미크론 정도의) 매우 작은 다이아몬드가 그 안으로 균일 매설되는 전해식으로 전착된 주변 구리 덮개를 갖춘 매우 큰 장력의 강 코어를 포함한다. 수퍼로크 와이어에서의 니켈 오버스트라이크(overstrike)는 구리 덮개 내의 절삭 다이아몬드를 더욱 유지시키는 역할을 한다. 본래에 수반되는 매우 느린 절삭 속도로 인해 생산 공정이 아닌 주로 연구소에서 현재까지 이용되어온 것은 방향 역전 다이아몬드를 갖춘 고정 작업편의 절삭 기술이다.

본 발명은 작업편을 2개 이상의 부분으로 정밀하게 절단하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 비교적 큰 직경의 폴리실리콘과 같은 결정질 주괴 및 단일 결정 실리콘 주괴를 고정밀도, 고속, 고효율로 절단하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명의 상술된 특징 및 다른 특징과 목적 그리고 그것들을 이루기 위한방식이 좀더 명확해지며 본 발명은 첨부된 도면과 관련하여 취해진 양호한 실시예의 이하 설명을 참조하여 가장 잘 이해될 것이다.

도1은 본 발명에 따라 작업편을 절단하기 위한 장치의 전방 사시도이다.

도2는 도1에 도시된 본 발명을 따르는 장치의 후방 사시도이다.

도3은 작업편 위로 융기한 와이어 구동 기구를 갖는 도1에 도시된 장치의 정면도이다.

도4는 와이어 구동 기구가 작업편을 절단하기 시작하도록 위치 설정된, 도1에 도시된 장치의 정면도이다.

도4a는 본 발명을 따르는 와이어 구동 기구의 후방 측부의 사시도이다.

도4b는 도4a의 와이어 구동 기구의 전방 측부의 사시도이다.

도4c는 본 발명을 따르는 프레임 안내부의 사시도이다.

도5는 와이어 구동 기구가 작업편의 최초 절삭 후에 위치 설정된, 도1에 도시된 장치의 정면도이다.

도6은 와이어 구동 장치가 작업편 절삭 중 반시계 방향으로 회전된, 도1에 도시된 장치의 정면도이다.

도7은 와이어 구동 장치가 작업편 절삭 중 시계 방향으로 회전된, 도1에 도시된 장치의 정면도이다.

도8은 와이어 구동 장치가 작업편의 최종 절삭 시 위치 설정된, 도1에 도시된 장치의 정면도이다.

도9는 본 발명을 따르는 캡스턴의 확대 사시도이다.

도10은 캡스턴 드럼(30)의 중간 위치에서 도9에 도시된 선 10-10을 따라 취해진 캡스턴의 단면도이다.

도11은 캡스턴 드럼(30)의 와이어 위치의 일 단부에서 도9에 도시된 선 10-10을 따라 취해진 캡스턴의 단면도이다.

도12는 캡스턴 드럼(30)의 와이어 위치의 타단부에서 도9에 도시된 선 10-10을 따라 취해진 캡스턴의 단면도이다.

도13은 도10에 도시된 선 13-13을 따라 취해진 캡스턴의 단면도이다.

도14는 도10에 도시된 선 14-14를 따라 취해진 캡스턴의 단면도이다.

도15는 도10에 도시된 선 15-15를 따라 취해진 캡스턴의 단면도이다.

도16은 도10에 도시된 선 16-16을 따라 취해진 캡스턴의 단면도이다.

도17은 도3에 도시된 선 17-17을 따라 취해진 캡스턴의 단면도이다.

도18은 도17에 도시된 선 18-18을 따라 취해진 캡스턴의 단면도이다.

도19는 도3에 도시된 선 19-19를 따라 취해진 캡스턴의 단면도이다.

도19a는 도19에 도시된 선 19A-19A를 따라 취해진 캡스턴의 단면도이다.

도20은 본 발명을 따르는 제어 콘솔의 정면도이다.

도21은 도20에 도시된 제어 콘솔의 접촉 스크린의 확대도이다.

도22는 절삭 와이어의 보우가 센서의 단면에 대체로 접하는 굽혀지지 않은 위치로부터 센서의 면에 걸쳐 보다 큰 현이 감지되는 곳으로 이동할 때 절삭 와이어 보우를 탐지하는 센서의 위치를 도시한, 도1에 도시된 장치의 절삭 와이어와 유도 근접 센서의 확대도이다.

도23은 절삭 와이어의 보우가 센서의 단면에 대체로 접하는 굽혀지지 않은 위치로부터 센서의 면에 걸쳐 보다 큰 현이 감지되는 곳으로 이동할 때 절삭 와이어 보우를 탐지하는 센서의 위치를 도시한, 도1에 도시된 절삭 와이어와 유도 근접 센서의 다른 실시예의 확대도이다.

특히 작업편이 고정되어 유지되며 다이아몬드 와이어가 작업편의 종축에 대해 직각으로 구동될 때 다이아몬드 와이어에 대해 와이어 톱 구동 기구가 작업편 종축 주위에서 호를 통해 전후로 왕복 회전되거나 요동되는, 다이아몬드가 함침된 와이어를 이용한 단결정 실리콘 주괴 또는 폴리실리콘인 작업편을 절단하기 위한 장치 및 방법이 기재되어 있다. 이 운동은 절삭부의 바닥에 대해 실질적으로 접하여 계속 유지되는 와이어를 구비한 아치형 바닥을 갖는 작업편 내에 수직 절삭을 만들어낸다. 와이어 구동 기구는 커프 또는 절삭부가 깊어짐에 따라 주괴를 관통하여 주괴의 외부 직경("OD")에 인접하는 위치로부터 전진된다. 이 방법에서, 다이아몬드 와이어는 예를 들어 절삭부의 길이를 따라 커프의 바닥에 접하는, 절삭부의 원주에 실질적으로 접하는 지점에서 작업편을 관통하여 절삭한다. 와이어 구동 기구의 전진 속도는 커프의 하부에서 폴리실리콘에 대항하여 와이어 톱의 일정한 힘을 유지하도록 자동적으로 양호하게 제어된다. 이는 절삭부를 통하여 이동함에 따라 톱 와이어의 편향의 일정한 양 또는 각도를 유지함으로써 수행된다. 이 기술의 사용을 통해, 300nm 내지 400nm 또는 그 이상인 폴리실리콘 또는 단결정 실리콘 주괴는 최소의 "커프" 손실과 종래 기계보다 소규모의 이하의 후속하는 래핑 작동으로 비교적 신속하게 웨이퍼로 절단될 수 있다.

장치의 양호한 실시예는 프레임과, 부착된 복수개의 절삭 요소를 갖는 와이어 아래의 작업편의 위치 설정, 레벨링 및 유지를 위해 프레임에 부착된 작업편 지지 기구와, 작업편의 종축에 대해 직각으로 와이어를 이동시키기 위한 와이어 구동 기구와, 작업편의 종축 주위에서 와이어 구동 기구를 회전시키기 위해 와이어 구동 기구에 결합된 와이어 구동 기구 회전 기구와, 와이어 구동 기구를 위치 설정하고 따라서 작업편의 외부 표면에 근접한 제1 접한 위치로부터 결과적으로 작업편을 통하여 작업편의 외부 표면의 대향측에 근접한 제2 접한 위치로 절삭 와이어를 위치 설정한 프레임 상에 장착된 와이어 전진 기구를 포함한다.

작업편, 특히 실리콘 주괴는 프레임에 연결된 컴퓨터 제어 인덱스 베드에서 한 쌍의 컴퓨터 제어 "V" 블록을 포함하고 와이어 구동 기구 아래에 위치된 지지 기구 내에 양호하게 고정되어 유지되며 수평으로 된다. 프레임은 한 쌍의 이격된 직립 부재를 포함한다. 반전된 U자형의 요크는 직립 지지 부재들에 그리고 그들 사이에 이동 가능하게 체결된다. 와이어 구동 기구는 이 요크에 회전 가능하게 체결된다. 와이어 구동 기구 전진 기구가 작업편의 외부 표면 위에 또는 그에 근접한 제1 위치로부터 작업편의 대향측 상에 외부 표면에 근접한 제2 위치로 와이어 구동 기구를 수직으로 전진시키는 동안에, 와이어 구동 기구는 회전 기구에 의해 작업편 주위에서 소정의 호를 통해 왕복 회전되거나 요동된다. 호의 각도는 변화하며 통상적으로 약 60도의 개선 각도까지이다. 각도는 주괴를 통한 절삭의 깊이에 따라 변한다. 예를 들면, 주괴를 통하여 절삭이 개시되는 때에, 와이어 구동 기구는 전혀 회전하지 않지만, 톱 와이어가 주괴의 표면을 가로질러 수평으로 지나가는 위치에서 고정 유지된다. 절삭이 깊어짐에 따라, 회전은 호가 매우 작게 시작하면서 적은 정도만으로 개시되며, 그 다음에 절삭이 진행함에 따라 점진적으로 증가된다. 주괴 주위의 와이어 구동 기구의 요동 왕복 운동은 절삭부의 바닥에 실질적으로 접한 와이어를 유지하면서 절삭 중에 커프가 와이어로 측방 안내되도록 제공하게 하며, 주괴 상에 표면 요철부에 의해 발생된 영향을 절삭의 정확성으로 유리하게 최소화한다.

본 발명의 다른 특징은 미리 경험된 와이어 구동 기구에 엉켜서 와이어가 손상될 가능성을 없애는 특정 캡스턴 장치이다. 이 캡스턴 장치는 캡스턴 구동 부재의 완전한 엔클로저를 제공하여 그리스가 충분한 구동 부재를 구비하여 와이어의 엉킴을 방지한다.

본 발명의 다른 특징은 양호하게는 주괴 내의 절삭부의 바닥에서 주괴 상의 일정한 소정의 와이어 힘을 유지하는 것을 기초로 한 와이어 구동 기구 전진 기구와, 와이어 구동 기구 회전 기구와, 와이어 구동 기구의 자동 통합이다. 이러한 특징은 작업편과의 결합 전의 와이어의 인덱스 위치에 대해, 작업편 절삭을 시작 또는 마무리하는 와이어 톱의 편향 거리를 측정하는 연속적인 편향 탐지기의 사용을 통해 얻어진다. 전진 속도는 소정의 편위량을 유지하도록 조절되어, 하향력이 절삭부의 바닥에서 주괴 재료에 대항하여 와이어 톱에 의해 인가된다. 이 하향력은 절삭시 와이어 톱의 위치에 따라 프로그램된 계획에 따라 변화 또는 고정될 수 있다.

이제, 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 장치(10)가 도1 내지 도4의 정면도에 도시된다. 도20 및 도21을 참조하여 곧 알 수 있는 컴퓨터 제어 콘솔(2000)은 도1 내지 도4에 도시되지 않는다.

도1 내지 도4를 주로 참조하면, (도1에서 가장 잘 도시된) 장치(10)는 예컨대, 콜로라도주 스프링시에 소재한 테크놀로지 웨스트 리미티드사로부터 유용한 수퍼와이어 또는 수퍼록 시리즈와 같은 다이아몬드가 함유된 와이어일 수 있는 절삭 와이어(12, 도1)를 부속품으로 포함한다. 와이어(12)는 개별적 또는 통합적 회로 장치로의 후속 공정을 위해 실리콘 주괴(14, 도3)를 다중 와퍼로 정확하고 신속히 절삭한다. 장치(10)는 구동 와이어(12)가 주괴(14)를 횡단하는 동안 절삭이 진행될 때 정지된 주괴(14)에 대한 원호를 통해 톱을 전후로 진동 즉, 회전시키고 주괴(14)를 통해 톱을 수직으로 진행시킴으로써 와이어(12)의 절삭 능력을 향상시킨다.

장치(10)는 정적이고 통상 사각 프레임(15, 도1)인 주괴(14)를 지지하고 위치 선정하기 위한 인덱스 베드(17, 도1)와, 주괴(14)에 대해 연속 와이어(12)를 단일 방향으로 이동시키거나 와이어(12)의 길이를 왕복식으로 이동시키고 주괴(14)를통해 와이어(12)를 전진시키기 위한 구동 장치(16, 도3)를 포함한다. 인덱스 베드(17)는 주괴(14) 절삭 중에 사실상 정적으로 주괴(14)를 지지하기 위해 양호하게는 "V"자형인 적어도 2개의 클램프(17a, 도2)를 구비한다. 인덱스 베드(17)는 후속 절삭 축을 따라 주괴(14)를 조심씩 진행시키는 모터를 장착할 수 있다. (그러나, 여기에서는 도시되지 않음)

도시된 실시예에서의 와이어 구동 장치(16)는 와이어(12)의 길이에 대해 일 방향으로 연속적으로 와이어(12)의 길이를 구동시키거나 캡스턴 드럼(30) 상에서 와이어의 길이를 연속적으로 감거나 푸는 왕복식으로 전후 구동시키는 서보모터(26, 도2)를 사용하는 캡스턴(18)을 갖는다. 또한, 단일의 선형인 와이어 길이 대신에 하나 이상의 개별적인 와이어(12) 루프가 사용된다면, 캡스턴(18)은 와이어(12)를 역회전시키지 않고 한 방향으로 연속으로 구동시킬 수 있다.

캡스턴(18)에 대한 구동 모터로서의 서보모터(26)의 사용은 캡스턴 드럼(30)이 캡스턴 드럼(30) 상에 잔류한 와이어 랩의 절반 이내로 지향성 회전의 종료시에 정확히 위치하고 역전되도록 한다. 특히, 서보모터(26)는 컴퓨터 콘솔(2000)로 신호를 전송한다. 컴퓨터 콘솔은 캡스턴 드럼(30)의 회전수에 기초하여 와이어가 얼마나 많이 캡스턴 드럼(30) 상에서 풀리거나 감겼는지 결정하기 위해 이 신호를 사용한다. 컴퓨터 콘솔(2000)은 캡스턴 드럼(30)이 (감기고 풀린 와이어의 길이에 대응하는) 미리 설정된 회전수로 회전하면, 콘솔(2000)은 서보모터(26)의 방향을 역전시키는 신호를 전송한다. 이것은 톱날 와이어의 사용을 최대화한다. 종래에는, 와이어 톱 캡스턴은 역방향으로 필요한 캡스턴 회전수의 부정확성을 보상하기위해 캡스턴 드럼(30) 상에서 반인치 정도로 감겨서 잔류하는 많은 랩을 요구한다. 이하 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 캡스턴 구동 모터로서의 서보모터(26)의 사용에 의해, 캡스턴 드럼(30)의 각도 위치의 정확한 궤적 이동이 항상 유지되고 따라서 캡스턴 드럼(30)은 정확히 정지되고 역전된다.

도9 및 도10을 참조하면, 캡스턴(18)은 프레임(24)에 장착된다. 캡스턴은 서보모터(26), 캡스턴 프레임(28), 캡스턴 드럼(30) 및 캡스턴 샤프트(30a)를 포함한다. 서보모터(26)는 프레임(28)의 단부(1002)에 장착된다. 단부(1002)는 서보모터 샤프트(1008)가 그 안으로 연장하는 개구(1006)를 갖는다.

도시된 바와 같이, 샤프트(30a)는 실제로 여러 가지 구성 성분들을 포함한다. 샤프트(30a)의 외부는 일측 상에서 프레임(28)의 단부(1002)와 연결되고 타측 상에서 프레임(28)의 단부(1004)와 연결된다. 샤프트(30a)의 부분(1012)은 드럼(30)의 양측 상에 연결된다. 샤프트부(1010, 1012)는 부분(1012)이 부분(1010)에 대해 운동 가능하도록 영역(1014) 상에 활주 가능하게 결합된다. 드럼 회전자(1016)는 부분(1010, 1012)에 내부 장착되고 단부(1002)에서 서보모터 샤프트(1008)와 결합되고 단부(1004)에서 회전 가능하게 장착된다. 드럼 회전자(1016)는 또한 드럼(30)에 결합된다. 서보모터 샤프트(1008)가 회전할 때, 드럼 회전자(1016)는 드럼(30)에 회전을 전달하여 드럼(30)과 샤프트부(1012)가 회전하는 원인이 된다. 샤프트부(1010)는 고정되어 있고 회전되지 않음을 주지해야 한다. 서보모터 샤프트(1008)는 회전 전달 베어링(1018)에 의해 드럼 회전자(1016)에 연결되는 아암(1020)을 갖는다. 또한 워엄 기어 마운트(1022)는회전 전달 베어링(1018)에 장착된다. 워엄 기어 마운트(1022)는 드럼(30) 회전 영역 내에 장착된 치(1024)를 갖는다. 대응하는 치(1026)가 드럼(30) 상에 장착된다. 드럼(30)이 회전하면 치(1024, 1026)는 샤프트부(1010)에 대해 드럼(30)을 이동시키도록 워엄 기어로써 결합하여 작동한다. 이것은 와이어(12)가 주괴(14) 내에 절삭부와 정열된 실질적으로 일정한 위치에서 풀리도록 한다. 도11 및 도12는 이동의 극단부들에서 일 방향으로 캡스턴 드럼(30)을 도시하고 있다. 와이어(12)는 드럼(30)의 위치에 상관없이 실질적으로 동일한 위치에서 풀린다는 것을 주지해야 한다. 와이어(12)가 실질적으로 동일 위치에서 풀리므로, 와이어(12)용 입구와 출구를 갖는 (도시되지 않은) 케이싱이 있는 캡스턴을 둘러싸는 것이 가능하고 양호해진다. 케이싱은 와이어 파손과 같은 예기치 않은 경우에 와이어가 엉키는 것을 방지한다. 동일 위치에서 와이어(12)가 풀리는 것이 바람직하지만, 아이들러 풀리(20)는 와이어(12)가 주괴(14) 상에 절삭부와 적절히 정렬되는 것을 보장하기 때문에 불필요하다.

와이어 구동 기구(16)는 구동 기구 프레임(24) 상에 장착된다. 프레임(24)은 일반적으로 (도4a의) 불 기어(bull gear, 200)를 경유하여 (도4의) 아치형 전진 프레임 판(32) 상에 회전 가능하게 장착된 U자형 금속판과 (도4c의) 피니언 구동 기어(202)를 포함한다(도4a 내지 도4c). 도17 및 도18을 참조하면, 피니언 구동 기어(202)와 결합된 불 기어(200)가 도시되어 있다. 불 기어(200)는 와이어 구동 기구 프레임(24) 상에 장착된 스텝퍼 모터(34)의 (도17의) 샤프트(206) 상에 장착된다. 스텝퍼 모터(34)는 이하에 보다 상세히 설명된 바와 같이, 스텝퍼 모터(34)가 시계 방향, 반시계 방향 또는 조합된 회전으로 불 기어(200)를 구동하도록 하는 콘솔(2000)로부터 신호를 수신한다. 불 기어(200)의 회전은 불 기어(200)가, 전진 프레임 판(32)에 고정 장착된 피니언 기어(202)에 대해 이동하도록 한다. 피니언 기어(202)를 고정되게 지지하는 것은 불 기어(200)의 회전이 와이어 구동 기구 프레임(24)을 주괴(14)에 대해 시계 방향 및 반시계 방향으로 회전하는 원인이 되도록 한다. 따라서, 와이어 구동 기구(16)는 절삭시 주괴(14)에 대해 와이어(12)를 요동시킨다.

전진 프레임 판(32)은 고정 프레임(15)에 장착된 (도4의) 2개의 고정 수직 안내 로드(36)에 장착된다. 도면에 도시되지 않았지만, 구동 모터는 구동 기구(16)를 상승 및 하강시키기 위해 판(32)을 상승 및 하강시킨다. 도4a 내지 도4c와 도19 및 도19a를 참조하면, 와이어 구동 기구(16)는 프레임(24) 상에 장착된다. 프레임(24)은 (도4b의) 볼베이링(204)이 충전되고 (도4b의) 볼 베어링(206)이 고정된 복수개의 스프링을 갖는다. 일반적으로 (도4c의) U자형 프레임 안내부(208)는 프레임(24) 상에 장착된 (도4c의) 와이어 구동 기구 트랙(210)을 갖고 연결되어 볼 베어링(204, 206)이 프레임(24)을 트랙(210)내에서 전진하도록 한다. 프레임(208)은 전진 프레임 판(32)에 장착된다. 프레임(24) 상에 장착된 스텝퍼 모터(34)는 불 기어(200)를 구동하기 위해 콘솔(2000)로부터 구동 신호를 수신한다. 불 기어(200)를 구동하는 것은 불 기어(200)가 피니언 기어(202)와 결합되고 와이어 구동 기구(16)가 주괴(14)에 대해 회전하도록 한다. 콘솔(2000)은 불 기어(200)를 방향을 번갈아 가며 구동하여 와이어 구동 기구(16)가 주괴(14)에 대해 시계 방향으로 그후 반시계 방향으로 회전하도록 한다.

와이어 구동 기구(16)는 전진 프레임 판(32)에 고정된 피니언 기어(202)와 맞물리는 불 기어(200)를 회전시키는 스텝퍼 모터(34)를 경유하여 주괴(14)의 종축에 대해 요동 또는 회전한다. 따라서, 주괴(14)를 통한 절삭이 진행됨에 따라, 와이어 구동 기구 프레임(24)은 도6에 도시된 바와 같이 반시계 방향으로 그후 도7에 도시된 바와 같이 시계 방향으로 요동한다.

와이어 톱(12)은 주괴(14)의 직경을 통하여 절삭부 전체에 걸쳐 절삭부의 바닥에 실질적으로 인접한 와이어 톱(12)으로 굴곡된 절삭부를 절삭한다. 와이어 톱(12)은 도8에 도시된 바와 같이, 거의 주괴(14) 전체를 통하여 전진함으로써 접선 절삭부를 유지한다. 또한, 와이어 구동 기구(16)의 왕복 회전의 호 길이 또는 호 각도는 절삭 작업의 지속 시간 동안 소정의 방식으로 변경될 수 있고, 절삭 깊이에 따라 변경할 수 있다. 예를 들어, 각각의 방향으로 호의 각도는 주괴(14)의 직경을 통하는 절삭의 개시 및 종료시에 작고, 예를 들어 주괴(14)를 통하는 절삭이 중심을 향할 때 약 30도 정도로 더 커진다. 그러나, 회전의 효과는 동일하게 유지된다. 즉, 와이어 톱을 대체로 절삭부에 접촉되게 유지한다. 이는 주괴(14)의 외부 표면의 결함 또는 진동에 기인한 와이어 톱 상의 측력을 최소화한다.

도4, 도5, 도6, 도7 및 도8을 참조하여, 절삭 작업 및 와이어 구동 기구(16)의 운동이 더욱 상세히 도시된다. 도4에서, 와이어 구동 기구(16)는 구동 기구 전진 기구에 의해 주괴(14)의 표면에 닿도록 하강된다. 주괴(14)의 표면 상에 위치된 일 편의 테이프 또는 (도시되지 않은) 그 균등물은 손실성 커프 시동기로써 이용된다. 커프 시동기는 절삭이 개시될 때 주괴(14)의 표면에서 와이어(12)가 탈선하는 것을 방지한다. 이점에서, 이하에 더욱 상세하게 설명되듯이, 와이어(12)가 절삭을 개시하여 주괴(14)를 가로질러 이동할 때, 와이어의 편향은 거의 없다.

도5를 참조하여, 장치(10)는 주괴(14)의 절삭을 개시하였다. 도시된 바와 같이, (도4에 도시된) 초기 절삭 이후에 와이어(12)는 편향하기 시작하지만 절삭 표면(50)은 대체로 주괴(14)에 접촉하여 유지한다. 이하에 더욱 상세히 설명되듯이, 근접 센서(40)는 와이어(12)의 편향을 기록하여 콘솔(2000)로 전송되는 대응 아날로그 전압 신호를 발생시킨다. 콘솔(2000)은 전압을 와이어(12)의 장력 결정에 사용한다. 와이어(12)의 장력에 기초하여, 토크 모터(22a)는 장력을 증가 또는 감소시키도록 인장 풀리(22)를 이동시킨다. 와이어 구동 기구(16)는 초기 절삭 동안 요동되지 않는다. 도6에 도시된 대로, 전진 프레임 판(32)이 와이어 구동 기구(16)를 주괴(14)의 절삭부 내로 더 깊게 하강시킬 때, 콘솔(2000)은 스텝퍼 모터(34)에 요동 구동 신호를 전송하여 스텝퍼 모터(34)가 불 기어(200)를 구동시키게 한다. 불 기어(200)는 피니언 기어(202)를 따라 일 방향으로 이동되고, 그 후에 다른 방향으로 이동된다. 예를 들어, 도6에서 와이어 구동 기구(16)가 반시계방향으로 이동하고, 도7에서 시계 방향으로 이동한다. 근접 센서(40)는 와이어(12)가 적절한 장력 유지를 보장하도록 요동하는 동안 작동된다. 와이어 구동 기구 트랙(210)은 와이어 구동 기구가 주괴(14) 주위에서 요동할 때 절삭 표면(50)이 대체로 주괴(14)에 접촉하여 유지되도록 설정된다.

도7은 주괴(14)를 통하여 더 깊이 전진된 와이어 구동 기구(16)를 도시한다.전술된 대로, 토크 모터(22a)를 지나 콘솔(2000)로 신호를 전송하여 콘솔(2000)이 인장 풀리(22)를 이동시키게 하는 근접 센서(40)에 의해 와이어(12)의 장력이 유지된다. 도7은 시계 방향으로 요동되는 와이어 구동 기구를 도시한다. 또한, 절삭 표면(50)은 대체로 주괴(14)에 접촉하여 유지된다.

도8은 주괴(14)를 관통하여 전진된 와이어 구동 기구(16)를 도시한다. 전진 프레임 판(32)은 거의 주괴의 바닥까지 하강되었다. 또한, 콘솔(2000)은 스텝퍼 모터(34) 구동을 정지시켜서 톱의 요동 운동을 차례로 정지시킨다. 또한, 근접 센서(40)는 와이어(12) 상의 일정 장력을 유지한다.

도4, 도5, 도6, 도7 및 도8에 순서대로 도시된 대로, 톱의 요동은 바람직하게는 영(0)인(도5) 최소의 요동으로 개시된다. 바람직하게는, 요동은 최초 절삭 이후에 점진적으로 증가하여 절삭의 중심을 향할 때 (도7) 최대가 된다. 바람직하게는, 최대의 요동에서 와이어 구동 기구(16)는 중심선(즉, 약 90°의 회전)에서 각각 약 30°정도 요동하지만, 더 많거나 적은 운동도 가능하다. 요동 운동은 중심을 향한 최대 요동으로부터 점진적으로 감소하여 최소치로 복귀하여 바람직하게는 절삭부의 바닥에서 영(0)이 된다.

와이어 톱(12)의 편향되지 않은 위치 또는 인덱스는 와이어 구동 기구 프레임(24) 상의 와이어에 근접하게 위치된 (도3 및 도22의) 유도 근접 센서(40)에 의해 감지된다. 이러한 센서(40)는 인덱스 위치로부터 와이어 편향의 각도에 비례하는 아날로그 전압을 발생시킨다. 아날로그 전압은 인장 신호로써 콘솔(2000)로 전송된다. 주괴(14) 상의 하향력이 증가됨에 따라 편향이 증가된다.(도23) 편향의변화는 센서(40)로부터의 아날로그 전압 신호에 비례하는 변화에 대응한다. 일정한 힘 때문에, 인장 풀리(22)를 지지하는 토크 모터(22a)는 와이어 상의 일정한 장력을 유지하고, 편향 거리는 절삭체 내의 반도체 크리스털 상의 와이어 톱(12)에 의해 작용된 힘을 정확히 측정하게 한다.

와이어(12) 상의 힘은 와이어 파손을 최소화하고 절단 작업을 최적화하도록 주의 깊게 모니터링되어야 한다. 컴퓨터 콘솔(2000)은 유사 전압을 모니터링하고 와이어 구동 기구(16)의 요동 및 전진 기구의 전진 중에 위치 설정 신호를 토크 모터(22a)로 전달함으로서 일정한 변형을 유지하여 절단 작업을 최적화한다. 도22 및 도23은 와이어(12)의 주위에 연결된 근접 센서(40)를 구비한 아이들러 풀리(20)를 도시한다.

도22는 비절단 또는 초기 절단 위치에 있는 와이어(12)를 도시한다. 이러한 위치에서, 와이어(12)는 브래킷(2200)에 의해 제 위치에 유지되면서 유도식 근접 센서(40)의 원형 단면의 원주에 대한 접선 위치를 통과한다. 이러한 위치는 근접 센서(40)가 영(0)을 향한 절단력에 상응하는 기준 또는 아이들 전압을 발생시키게 한다. 근접 센서(40)는 이러한 유사 전압을 콘솔(2000)로 전달한다. 와이어(12)는 하향 절단력의 개시에 응답하여, (화살표의 방향으로 와이어(12)의 다른 점선 위치에 의해 지시된) 상향으로 약간 변형된다. 이러한 변형 때문에, 와이어(12)는 근접 센서(40)에 의해 감지되기 시작하고 더 큰 하향력에 상응하는 보다 작은 유사 전압이 센서(40)에 의해 발생된다. 하향력이 증가할수록, 근접 센서(40)의 면 위에서 와이어(12)가 형성하는 현이 증가하여 근접 센서(40)가 더욱 낮은 전압을 발생하게 된다. 콘솔(2000)은 이러한 낮은 전압을 받아서 와이어(12) 상의 인장을 감소시키도록 토크 모터(22a)의 원인이 되는 신호를 재위치 인장 풀리(22)로 전달한다. 반대로, 하향력이 감소하면, 근접 센서(40)의 면에 대해 와이어(12)에 의해 형성된 현이 감소하여 근접 센서(40)가 더 높은 전압을 발생하게 된다. 콘솔(2000)은 더 높은 전압을 받아서, 와이어(12) 상의 인장을 증가시키도록 토크 모터(22a)가 인장 풀리(22)의 위치를 바꾸게 하는 신호를 보낸다. 다른 근접 센서 구성도 작동 가능하다. 모터(22a)를 사용하여 인장 풀리(22)의 위치를 정밀하게 제어하는 것이 양호하지만, 인장을 유지하기 위한 다른 실시예도 가능하다. 예를 들어, 인장 풀리(22)가 와이어(12) 상에 일정한 인장을 유지하도록 압축 및 팽창되는 스프링에 의해 위치될 수 있다.

도23을 참조하면, 센서(40) 및 와이어(12)의 다른 구성이 도시되어 있으며 센서(40)의 면에 대한 와이어의 초기 위치가 대체로 그의 직경을 따른다. 이러한 경우에, 와이어가 하향 절단력에 의해 이러한 위치로부터 변형되면, 와이어의 존재에 의한 보다 작은 현이 감지되고 따라서 더 큰 전압 레벨이 센서(40)에 의해 생성된다. 도22의 실시예의 와이어 인장과 관련하여 상세하게 설명된 기능성이 적용될 수 있다. 이 도면의 실시예는 예를 들어 잠재적인 와이어 파손에 의한 와이어(12)의 부재를 감지할 수 있는 장점을 갖는다. 와이어(12)가 센서(40)에 의해 감지되지 않는 경우에, 센서(40)의 전압 출력은 와이어가 대체로 그의 직경을 따라 위치할 때의 초기값보다 더 크다.

도3에 도시된 것처럼, 튜브(500) 및 노즐(550)이 와이어 구동 기구(16) 상에장착된다. 튜브(500) 및 노즐(550)은 주괴(14)의 절단홈으로 진입하거나 그리고/또는 그로부터 이탈될 때 물과 공기의 혼합물을 와이어(12) 상으로 보내어 절단홈을 파편이 없이 유지한다. 튜브(500)는 양호하게는 프레임(24)에 장착되어 절단 표면(50)에 대해 일정한 각도로 공기를 절단홈 내로 보낸다. 물과 공기의 혼합물은 도시되지 않은 가압 탱크 내에 유지되어 튜브(500)로 연결된다.

특정 장치 및 와이어 절단 기술과 관련하여 본 발명의 원리가 위에서 설명되었지만, 이상의 설명은 단지 예시적인 것이며 본 발명의 범위를 제한하지 않는 다는 것이 명확하다. 특히, 이상 개시된 기술은 당업자에게 다른 변경을 제안하는 것으로 이해되어야 한다. 그러한 변경은 본질적으로 이미 알려졌으며 본원에서 설명된 특징 대신에 또는 그에 추가하여 사용될 수 있는 다른 특징으로 포함할 수 있다. 청구범위가 본원에서 특별하게 조합된 특징으로 형성되었지만, 본원의 개시 내용이 본원의 청구범위에서 청구되는 것과 동일한 발명과 관련되든지 그리고 본 발명이 직면하는 동일한 기술적인 문제점의 일부 또는 모두를 제거하는 지에 관계없이, 본원의 개시 내용의 범위는 명시적 또는 묵시적으로 개시된 새로운 특징들 또는 특징들의 새로운 조합, 또는 당업자에게 자명한 통칙 및 변경을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원인은 본 출원 또는 본 출원에서 파생되는 다른 출원의 진행 중에 위와 같은 특징 및/또는 위와 같은 특징들의 조합에 대한 새로운 청구항을 신설할 수 있는 권리를 갖는다.

Claims (18)

1. 원통형인 작업편을 작업편의 종축에 수직한 방향으로 절삭하기 위한 장치에 있어서,

   복수개의 절삭 요소를 구비한 와이어와,

   작업편을 가로지르고 작업편을 통하여 와이어를 구동시키기 위한 와이어 구동 기구를 포함하고,

   상기 와이어 구동 기구는 와이어를 작업편의 종축에 직각으로 가로질러 이동시키기 위한 캡스턴과, 와이어를 종축을 중심으로 진동시키기 위한 회전 구동부와, 와이어를 작업편의 종축을 통해 수직으로 전진시키기 위한 전진 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 절삭 요소는 다이아몬드를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 와이어는 강철 코어 및 주위의 구리 덮개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 절삭 요소는 상기 구리 덮개에 부착된 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 와이어는 상기 구리 덮개를 둘러싸는 니켈 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 절삭 요소는 와이어 상에 균일하게 분포된 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 와이어 구동 기구는 작업편이 절삭되는 동안 와이어를 소정의 인장 상태로 유지하도록 와이어 구동 기구 상에 활주 가능하게 장착된 적어도 하나의 인장 풀리와, 와이어를 작업편과 정렬시키도록 와이어 구동 기구 상에 장착된 적어도 하나의 아이들러 풀리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 와이어 구동 기구는 상기 적어도 하나의 인장 풀리와 결합된 적어도 하나의 토크 모터를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 토크 모터는 와이어가 소정의 인장 상태에서 유지되도록 상기 적어도 하나의 인장 풀리의 위치를 설정하는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제7항에 있어서, 상기 와이어 구동 기구는 상기 적어도 하나의 인장 풀리와 결합된 적어도 하나의 스프링을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 스프링은 와이어가 소정의 인장 상태에서 유지되도록 상기 적어도 하나의 인장 풀리의 위치를 설정하는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 캡스턴은 상기 와이어 구동 기구에 장착된 캡스턴 프레임과, 상기 캡스턴 프레임에 장착된 고정부 및 상기 고정부와 활주 가능하게 결합된 회전부를 구비한 샤프트와, 상기 샤프트의 회전부와 결합되고 샤프트의 고정부에 대해 이동 가능한 캡스턴 드럼과, 캡스턴 드럼을 회전시키고 와이어를 작업편의 종축에 직각으로 가로질러 이동시키도록 샤프트의 회전부와 결합된 모터 샤프트를 구비한 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 캡스턴 드럼은 모터가 캡스턴 드럼을 회전시킬 때 드럼 워엄 기어가 샤프트의 고정부에 대해 캡스턴 드럼을 이동시키도록 드럼 워엄 기어 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 캡스턴 드럼은 와이어가 일정한 위치에서 캡스턴으로부터 풀리도록 이동하는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 캡스턴은 엔클로저를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제1항에 있어서, 상기 전진 구동부는 프레임 판과, 상기 프레임 판과 결합된정지된 적어도 하나의 안내 포스트와, 절삭 동안 상기 안내 포스트를 따라 상기 프레임 판을 점진적으로 전진시키도록 상기 적어도 하나의 안내 포스트 및 프레임 판과 결합된 점진적인 구동 기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 점진적인 구동 기구는 상기 프레임 판과 결합된 정지된 안내 포스트 상에 장착된 안내 포스트 워엄 기어와, 안내 포스트 워엄 기어와 결합되고 프레임 판이 안내 포스트를 따라 이동하도록 워엄 기어를 회전시키는 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제1항에 있어서, 상기 회전 구동부는 회전 구동 모터와, 상기 회전 구동 모터와 결합된 회전 구동 기어와, 상기 회전 구동 기어에 연결된 회전 구동 트랙을 더 포함하고, 상기 회전 구동 모터와 회전 구동 기어는 와이어가 상기 회전 구동 트랙 상에서 작업편을 중심으로 진동되도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 회전 구동 기어는 불 기어 및 피니언 기어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제17항에 있어서, 상기 회전 구동 트랙은 볼 베어링을 사용하여 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.