【手続補正書】
【提出日】平成17年8月1日(2005.8.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【発明の名称】    ワイヤソー加工装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】多数本のワイヤをワイヤガード溝が形成されたワイヤガイドローラ間にワークである圧電材料を設置してワイヤを押付けながらワイヤを一方向走行または往復走行させながら砥粒と油剤とを懸濁したスラリーを供給してワークを研磨切断加工する三角形の各頂点にワイヤガイドローラが配置された構造のワイヤソー加工装置において、該ワイヤガイドローラ間に複数個のワイヤガードレールを設け、切断中、ワイヤを挟んでワイヤガイドレールがワークを櫛歯状に噛み合うような構造とし、前記スラリーを循環供給する工程中に設けられた温度制御用スラリータンク内に沈殿した砥粒をスラリーに超音波振動を印加することにより超音波振動でスラリーを均一に攪拌しながらスラリー濃度が均一でかつスラリー液温が一定になるようなスラリー供給をおこなうことを特徴とするワイヤソー加工装置
【請求項２】ワイヤガードローラのローラやワイヤガードロレールのレールの各々のワイヤガード溝をピッチが切断後のウエハの厚み分布が該ワーク内で均一になるような不等間隔ピッチ構造としたことを特徴とする請求項1のワイヤソー加工装置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は脆性材料である水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、四ほう酸リチウム、ランガサイト、圧電セラミックス、磁気ヘッド基板、光学材料をワイヤソーで研磨切断加工する製造装置に関し、特に高安定性・高品質が要求される移動体通信分野での携帯電話機用や光通信分野における各種基準信号発信源として使用される機能部品の心臓部である水晶発振器やSAWフィルタに使用される圧電板の製造装置の特に切断装置に関するものである。本発明を適用して製作された圧電板は、基板平行度や切断角度が極めて高精度であることから、後工程であるラッピング工程や研磨工程が容易で、この圧電板を使って得られる各種圧電デバイスの中でも、特に水晶では周波数温度特性に優れたものが量産できる。本発明により製造された圧電板は、製造偏差が少なく、かつ外部環境の変動に対しても良好な高安定・高性能の圧電振動子やSAWデバイス等を再現性よく生産できる高精度圧電板や磁気ヘッド基板や光学材料を提供できることにある。
【従来の技術】
【０００２】
超小型・高安定性が要求される移動体通信機器や光通信機器等の分野において、水晶発振器は必須のデバイスとしてその地位を確立している。これまでの水晶発振器には、温度補償型水晶発振器（TCXO）、ディジタル温度補償型水晶発振器（D-TCXO）、電圧制御型水晶発振器（VCXO）等があり、切断角度のバラツキの少ない水晶板を選別して、水晶振動子を実現し、この水晶振動子とLSIと抵抗・コンデンサ等の受動部品と組み合わせて、各種高機能水晶発振器を実現している。他の圧電材料であるタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、四ほう酸リチウム、ランガサイト等も、移動体通信機器や光通信機器内にフィルタや振動子として数多く使用されている。圧電セラミックスは材料の低廉化の特徴を生かし、規格のラフな民生機器や圧電ジャイロとしての用途に採用され広く使用されている。ところで、これら圧電デバイスを構成する基本材料として使用されている圧電材料には、水晶原石やインゴットであるタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、四ほう酸リチウム、ランガサイト等の単結晶や多結晶である圧電セラミックスを所定の切断角度で高精度に切り出すわけである。これまで一般に圧電材料はマルチブレードで長時間かけて切断されていたが、最近では、切断後に得られる圧電板の収率の高さや角度精度や平行度の良好で、かつ高速切断が可能なワイヤソーでの切断方法が圧電板や磁気ヘッドや光学部品等の材料分野への適用が主流となってきている。
【発明が解決しようとする問題点】
【０００３】
急速な各種通信機器の小型化、軽量化、高機能化、低コスト化の要請に対して従来の技術で実現してきた圧電板では対応が困難な状況下になってきた。これまでの圧電板加工方法の主眼は、マルチブレードからワイヤソーに移ってきてはいるが、まだまだ多くの問題を含有している。特に、切断後の10ｍｍ□〜20ｍｍ□程度の水晶板を得る場合、0.1mm〜0.3ｍｍのブレードを使うマルチブレードでは厚みのバラツキは250±20μmが製造の実力値である。切断形状は切断時の後半になるに従って厚みが厚くなるテーパ形状となる。このため、どうしても両面ラッピングでの平行度修正が必要となる。一方、ワイヤ径0.06mm〜0.16ｍｍを使うワイヤソーで切断される切断溝幅はワイヤ両サイドに砥粒が存在する状態で形成されるので、切断溝幅はワイヤ径に最大作用砥粒径の２倍を加えた値となる。
ワイヤソーでワークを切断するとき問題となるのは、ワイヤガイドの溝形状の磨耗で起こる溝位置精度の劣化の問題やワイヤ形状の磨耗の問題でワーク内のウエハのバラツキが大きくなることと切断面のうねりの問題である。ワイヤソーで同じ水晶ランバード原石を切断した場合、10ｍｍ□〜20ｍｍ□程度の水晶板での面内の厚みバラツキは一桁小さく250±2μmとなる。バンドソーと同様に切断後の厚みが大きくなるテーパ形状となるが、この主たる要因は、切断加工が進むに従って、ワイヤが磨耗していくことと沈殿により砥粒濃度が減少し研磨液中に懸濁されている最大作用砥粒径が減少することでワイヤ両サイドに径の大きな砥粒は浸入し難くなり、作用砥粒径がさらに小さくなり、切断溝幅が狭くなることで、切断形状はテーパ形状となる。ワイヤソーで切断された10ｍｍ□〜20ｍｍ□程度の圧電板では±2μm程度の厚みのバラツキは避けられない。ラッピングの修正時間は確かに短縮されるが、ラッピング工程が省ける程に十分な平行度は得られない。
平行度の良い圧電板が得られれば、修正後のラッピング時間の短縮やラッピング工程の
省略ができれば、さまざまな利点が期待できる。
【問題を解決するための手段】
【０００４】
本発明のワイヤソー加工装置で得られる切断後の圧電板の厚みバラツキを極力小さくするために、
１．多数本のワイヤをワイヤガード溝が形成されたワイヤガイドローラ間にワークである圧電材料を設置してワイヤを押付けながらワイヤを一方向走行または往復走行させながら砥粒と油剤とを懸濁したスラリーを供給してワークを研磨切断加工する三角形の各頂点にワイヤガイドローラが配置された構造のワイヤソー加工装置において、該ワイヤガイドローラ間に複数個のワイヤガードレールを設け、切断中、ワイヤを挟んでワイヤガイドレールがワークを櫛歯状に噛み合うような構造とし、スラリー液を循環供給する工程中に設けられた温度制御用スラリータンク内に沈殿した砥粒をスラリー液に超音波振動を印加することにより超音波振動でスラリーを均一に攪拌しながらスラリー濃度が均一でかつスラリー液温が一定になるようなスラリー供給をおこなうことを特徴とする。
２．切断後のウエハの厚み分布が切断するワーク内で均一になるような手段として、１項で得られたウエハの厚み分布を補正する方法を採用した。ワイヤガードローラのローラやワイヤガードロレールのレールの各々のワイヤガード溝のピッチが切断後のウエハの厚み分布が該ワーク内で均一になるような不等間隔ピッチ構造としたことを特徴とする。
【０００５】
本発明のワイヤソー加工装置は、ワークである圧電材料をワイヤソーで切断したときのウエハの厚みが均一で高い平行度と高い切断精度が実現できるように考えだした発明である。基本は、ワイヤソーのワイヤ張力をあげ、切断加工が進むに従って、ワイヤが磨耗していくことと沈殿により砥粒濃度が減少し研磨液中に懸濁されている最大作用砥粒径が減少することでワイヤ両サイドに径の大きな砥粒は浸入し難くなり、作用砥粒径がさらに小さくなり、切断溝幅が狭くなることで、切断形状はテーパ形状となることを避けるために重点を置き考えだした発明である。
ワイヤソーの原理そのものは1960年代にフランスで開発された。その後、各種改良が進められ、ワイヤ走行方法や振動印加法や上下同時加工方式等がある。本発明は、従来開発
された各種方式に限定されることもなく広く圧電材料の切断加工用として適用できる技術である。対象とする加工物である圧電材料（脆性材料である水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、四ほう酸リチウム、ランガサイト、圧電セラミックス）や磁気ヘッドや光学材料等の高精度加工を必要とする材料をワイヤソーで研磨切断加工する際に、最とも適した圧電板や磁気ヘッドや光学部品の製造方法の確立を目指したものである。以下、圧電材料の特に、厚み振動を利用した高精度の研磨切断加工が要求されるAT-cut水晶を主体にして、説明する。
【０００６】
本発明のワイヤソー加工装置による圧電板の製造方法は、研磨切断であることから、切断面の加工変質層やチッピングが小さく、切断した圧電板の厚み精度とテーパ形状は数百Å〜数千Å以下であり、遊離砥粒による精度の高い研磨切断方法である。かつ、平行度の優れた切断加工法のため、切断角度も高精度のX線で測角した程度の角度精度10″以下に近いAT-cut水晶板が得られる。
【０００７】
本発明のワイヤソー加工装置で得られる切断のウエハのバラツキに関し、加工ワイヤガードローラのローラやワイヤガードロレールのレールの各々のワイヤガード溝のピッチが切断後のウエハの厚み分布が該ワーク内で均一になるような不等間隔ピッチ構造としたことで、ウエハの厚さ装置全体に起因するバラツキを強制的に補正できることから厚みのバラツキの極めて少ない、かつ平行度の高いウエハが得られることから、これまで後工程でテーパ形状の修正を必ず必要としたラッピング工程が省略できる。また高精度な平行度を有するウエハが得られることから角度バラツキが表裏で同じ値が得られることから、加工が比較的困難であった複雑な角度精度が要求される圧電板の需要にも対応しうる。
【実施例】
【０００８】
次に本発明のワイヤソー加工装置について、一実施例につき図面を参照にして説明する。図１は、本発明の実施例のワイヤソー装置本体部の概略図である。図２はワイヤ走行時の切断溝での切断加工モデル図である。図３は、本発明の他の適用例の不等間隔ピッチの断面図である。図４は、本発明のワイヤソー加工装置で得られる切断後のウエハの厚みのバラツキを従来のワイヤソー加工装置で得られるものと比較したものである。
【０００９】
本発明のワイヤソー加工装置による実施例では図１に示すワイヤガイドローラ101,102,103を三角形の各頂点に配置してなるワイヤソー加工装置の動作を説明する。まず、前工程であるX線角度測定機でワーク：圧電材料106,107,108を所定の切断角度が得られるように、台座105に固定剤等で動かないようにワーク106,107,108を固定する。X線角度測定機から台座105を取外し、本ワイヤソー加工装置のワイヤガイドローラ101と102間の固定ワイヤガイドローラ間に複数個のワイヤガードレール109,110,111,112が設けられた、図１に示すようなワイヤを挟んでワイヤガイドレール109,110,111,112がワークを櫛歯状に噛み合うような構造にワークが配置されるようにする。スラリー供給管114より供給されたスラリーをスラリー供給口113より、ワイヤガイドレール間のワイヤ104上に滴下させながら、同時にワイヤガイドローラ101,102,103を高速回転させ、ワーク106,107,108の切断を開始する。スラリー中の砥粒の沈殿状態と砥粒濃度の測定をスラリー供給用循環系超音波攪拌タンク内のセンサ116で検出し、マイクロコンピュータ117にデータを送る。ワイヤの磨耗量は、センサ118で測定後、収集データをマイクロコンピュータ117に送る。すべてのセンサ情報から、あらかじめプログラム設定されたスラリー中の砥粒沈殿状態とスラリー濃度が基準レベル以内の場合は、超音波振動をスラリーに印加しない。データが基準レベルを超えた場合は、砥粒の沈殿とスラリー濃度の変化が起こったとして、砥粒による厚さロスを補正するために、決められた時間の超音波振動をスラリー液に印加することで、沈殿した砥粒の攪拌をおこなう。砥粒攪拌工程作業や砥粒の濃度安定化の為に、温度制御超音波振動槽115は、スラリー濃度均一化のために超音波を適時印加する。長時間に渡る超音波の印加はスラリー液温度を上昇させるため温度制御することで、常にスラリー温度を規定の温度内に冷却する機能を有している。ワーク106,107,108が完全切断されるまで、切断を継続していく訳であるが、この間、砥粒攪拌を超音波振動により適時おこなうことで、切断溝の幅の変動や切断面のうねりを抑えることができることから、厚みの均一化された水晶板を得ることができる。
【００１０】
従来のワイヤガイドローラを三角形の頂点に配置した構造ワイヤソーは、四角形にワイヤガイドローラを配置したものより、ワイヤガイドローラ比較ワイヤガイドローラ間には、ワイヤ張力が強いが、切断後のウエハのうねりは大きく、精度的に劣る。しかしながら、本発明のワイヤソー加工装置は、多数本のワイヤをワイヤガード溝が形成されたワイヤガイドローラ間にワークである圧電材料を設置してワイヤを押付けながらワイヤを一方向走行または往復走行させながら砥粒と油剤とを懸濁したスラリーを供給してワークを研磨切断加工する三角形の各頂点にワイヤガイドローラが配置された構造であり、該ワイヤガイドローラ間に複数個のワイヤガードレールを設け、切断中ワイヤを挟んでワイヤガイドレールがワークを櫛歯状に噛み合うような構造とし、従来の上下同時加工方式でないワークの取付けも容易で構造的にシンプルな方法で、ワイヤ張力を向上させている。スラリーを循環供給する工程中に設けられら温度制御用スラリータンク中に沈殿した砥粒をスラリーに超音波振動を印加することにより超音波振動でスラリーを均一に攪拌しながらスラリー濃度が均一でかつスラリー液温が一定になるようなスラリー供給をおこなうことを特長とする。また、ワイヤガードローラのローラやワイヤガードロレールのレールの各々のワイヤガード溝をピッチが切断後のウエハの厚み分布が該ワーク内で均一になるような不等間隔ピッチ構造としたことを特長とする。圧電板として規格の厳しい水晶の場合に、切断角度も高精度のX線で測角した程度の角度精度10″に近い水晶板が実現できることが大きな特長である。
【００１１】
図２はワイヤ走行時の切断溝での切断加工モデル図である。ワーク201をワイヤソーにより形成された切断溝202であり、ワイヤ203の両サイドに砥粒が存在する状態で切断溝202は形成されるので、図２からも明らかなように、切断溝幅はワイヤ径に最大作用砥粒径204の２倍を加えた値となる。切断中、スラリー中の大きな砥粒は早く沈殿し、切断加工が進むに従って、ワイヤが磨耗していくことと沈殿により砥粒濃度が減少し、研磨液中に懸濁されている最大作用砥粒径が減少すると考えられる。また沈殿により砥粒濃度が減少すると、ワイヤ両サイドに径の大きな砥粒は浸入し難くなり、作用砥粒径がさらに小さくなる。このように、最大作用砥粒径が砥粒の沈殿により小さくなるため、切断溝幅が減少する。このように最大作用砥粒径が砥粒の沈殿に小さくなるため、切断溝幅が減少する。本発明では、砥粒の沈殿を抑圧し、スラリー濃度を均一化する方法として、超音波振動をスラリー液に印加することで、常に最大作用砥粒径が研磨加工工程に存在することから、切断形状はテーパ形状となることが避けられる。スラリー濃度中の砥粒の均一化をはかり流動性を増すことで、切断面のうなり等を防止することもできる。これらのことから、本発明のワイヤソー加工装置による圧電板の製造方法は、研磨切断であることから、切断面の加工変質層やチッピングが小さく、切断した圧電板の厚み精度とテーパ形状は数百Å〜数千Å以下であり、精度の高い切断方法となる。かつ、切断角度も高精度のX線で測角した程度の角度精度10″に近い水晶板が得られる。他の結晶材料についても、同様な効果が得られる。
【００１２】
図３は、本発明の他の適用例で、ワイヤガイドローラやワイヤガイドレールのレールの各々の三角形状の断面が不等間隔ピッチとした溝の断面図である。材料は、耐磨耗性の高いナイロン、ポリエチレン等の比較的加工の容易なプラスチィク301が使われている。溝加工303は、高精度NC旋盤が使われるが、汎用旋盤を使って高精度チェザーバイトで多数の溝を一度に加工している。プラスチィクの溝が鏡面仕上げされることで、ワイヤ302と母材質プラスチィクの接触時の磨耗が少なくてすみ、耐久性が増すので、プラスチィクといえども鏡面研磨が望ましい。加工ワイヤガードローラのローラやワイヤガードロレールのレールの各々のワイヤガード溝のピッチが切断後のウエハの厚み分布が該ワーク内で均一になるように不等間隔ピッチ構造としたことで、ウエハの厚さ装置全体に起因するバラツキを強制的に補正できることから厚みのバラツキの極めて少ない、かつ平行度の高いウエハが得られることから、これまで後工程でテーパ形状の修正を必ず必要としたラッピング工程が省略できる。また高精度な平行度を有するウエハが得られることから角度バラツキが表裏で同じ値が得られることで、加工が比較的困難であった複雑な角度精度が要求される圧電板の需要にも対応しうる。
【００１３】
図４は、本発明のワイヤソー加工装置で得られる切断後のウエハの厚みのバラツキを従来のワイヤソー加工装置で得られたものと比較したものである。401は、通常の等間隔ピッチを有するマルチワイヤソーで50×30.5×25mmのニオブ酸リチウムインゴットをワイヤ径φ0.12mmを砥粒GC #1200でピッチ0.5mmで60枚切断したときの、厚みのバラツキを示した点が401である。厚み分布は±5μmである。一方、この厚みバラツキを補正するように、ワイヤピッチを不等間隔に変更し、本発明を適用したものが402の点である。インゴットの両端部で多少のバラツキが見られるが、0.5μm以内のバラツキにおさまっている。
【発明の効果】
【００１４】
以上のとおり、本発明のワイヤソー加工装置は、ワークである圧電材料をワイヤソーで切断したときのウエハの厚みが均一で高い平行度と高い切断精度が実現できるように考えだした発明である。基本は、ワイヤソーのワイヤ張力をあげ、切断加工が進むに従って、ワイヤが磨耗していくことと沈殿により砥粒濃度が減少し研磨液中に懸濁されている最大作用砥粒径が減少することでワイヤ両サイドに径の大きな砥粒は浸入し難くなり、作用砥粒径がさらに小さくなり、切断溝幅が狭くなることで、切断形状はテーパ形状となることを避けることができる。本発明のワイヤソー加工装置による圧電板は、研磨切断であることから、切断面の加工変質層やチッピングが小さく、切断した圧電板の厚み精度とテーパ形状は数百Å〜数千Å以下であり、遊離砥粒による精度の高い研磨切断方法である。かつ、平行度の優れた切断加工法のため、切断角度も高精度のX線で測角した程度の角度精度10″以下に近いAT-cut水晶板が得られる。また、従来のワイヤソーで得られる切断のウエハのバラツキに関しても、本発明はシステム全体として補正する方法で、ワイヤガードローラのローラやワイヤガードロレールのレールの各々のワイヤガード溝のピッチが切断後のウエハの厚み分布が該ワーク内で均一になるような不等間隔ピッチ構造としたことで、ウエハの厚さ装置全体に起因するバラツキを強制的に補正できることから厚みのバラツキの極めて少ない、かつ平行度の高いウエハが得られる。したがって、これまで後工程でテーパ形状の修正を必ず必要としたラッピング工程が省略でき、その工業的価値は極めて高い。なお、本発明の圧電板の製造方法で得られる水晶振動子は、圧電材料として、水晶を主体に説明したが、他の圧電材料であるタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、四ほう酸リチウム、ランガサイト、圧電セラミックスや磁気ヘッドについても同様であり、言及するまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】
図１は、本発明の実施例のワイヤソー装置本体部の概略図である。            
【図２】
図２はワイヤ走行時の切断溝での切断加工モデル図である。
【図３】
図３は、本発明の他の適用例の不等間隔ピッチの断面図である。
【図４】
図４は、本発明のワイヤソー加工装置で得られる切断後のウエハの厚みのバラツキを従来のワイヤソー加工装置で得られるものと比較したものである。
【符号の説明】
【００１６】
101        ワイヤガイドローラ
102        ワイヤガイドローラ
103        ワイヤガイドローラ
104        ワイヤ
105        台座
106        ワーク：圧電材料
107        ワーク：圧電材料
108        ワーク：圧電材料
109        ワイヤガイドレール
110        ワイヤガイドレール
111        ワイヤガイドレール
112        ワイヤガイドレール
113        スラリー供給口
114        スラリー供給管
115        温度制御超音波振動槽
116        センサ
117        マイクロコンピュータ
118        センサ
201        ワーク
202        切断溝
203        ワイヤ
204        最大作用砥粒径
301        ワイヤガイドローラ（ワイヤガイドレール）
302        ワイヤ
303        切断加工溝
401        従来のワイヤソー（等間隔ピッチ）でのウエハの厚みバラツキ
402        不等間隔ピッチでのウエハの厚みバラツキ