(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
左右のワイヤガイドローラに平行に張り渡されたワイヤを走行させてワークを切断するワイヤソーであって、ワークを一端で保持し他端を支点に回動自在であるワーク保持アームと、前記ワーク保持アームを前記支点を中心として左右に揺動させる機構と、前記ワーク保持アームの他端を上下動させる機構と、前記ワーク保持アームを左右に揺動するタイミングと前記ワーク保持アームの他端を上下動させるタイミングとを合わせて動かすように制御する制御機構とを備えることを特徴とするワイヤソー。
【請求項２】
左右のワイヤガイドローラに平行に張り渡されたワイヤを走行させてワークを切断するワイヤソーであって、ワークを一端で保持し他端を支点に回動自在であるワーク保持アームと、前記ワーク保持アームを前記支点を中心として左右に揺動させる機構と、前記ワーク保持アームの他端を左右動させる機構と、前記ワーク保持アームを左右に揺動するタイミングと前記ワーク保持アームの他端を左右動させるタイミングとを合わせて動かすように制御する制御機構とを備えることを特徴とするワイヤソー。
【請求項３】
左右のワイヤガイドローラに平行に張り渡されたワイヤを走行させてワークを切断するワイヤソーであって、ワークを一端で保持し他端を支点に回動自在であるワーク保持アームと、前記ワーク保持アームを前記支点を中心として左右に揺動させる機構と、前記ワーク保持アームの他端を上下動させる機構と、前記ワーク保持アームの他端を左右動させる機構と、前記ワーク保持アームを左右に揺動するタイミングと前記ワーク保持アームの他端を上下動させるタイミングと前記ワーク保持アームの他端を左右動させるタイミングとを合わせて動かすように制御する制御機構とを備えることを特徴とするワイヤソー。
【請求項４】
前記ワーク保持アームの他端が、前記ワーク保持アームの１回当たりの揺動の度に１回上下動、あるいは左右動することによって、切断面における切断された部分と切断されるべき未切断部分との境界線が、常にワイヤに対し凸となるような曲率を有するように前記ワークを切断することを特徴とする請求項１、２、３のいずれかに記載のワイヤソーを用いる切断方法。
【請求項５】
前記ワーク保持アームの他端が、前記ワーク保持アームの１回当たりの揺動の度に１回上下動、および左右動することによって、ワイヤがワークと接触する切断部位がワイヤガイドローラに対し略一定の位置を保つようにして前記ワークを切断することを特徴とする請求項３に記載のワイヤソーを用いる切断方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、材料の切断ロス（切断代）が少なくまた切断面の精度の高い高効率の有用なワイヤソーを提供する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より半導体用シリコンやＧａＰ，ＩｎＰなどの化合物半導体インゴット、あるいは石英、酸化物単結晶材料等から一定の厚さの平板状素材を切り出す装置として、回転するダイヤモンド刃によって切断するスライシングマシンや、多数の薄板状の鋼板をスペーサーを介して平行に組み上げた切断刃を往復運動させ、溶媒中に分散させた砥粒を切断位置に連続的に供給しつつ切断するバンドソー、あるいは図７に示すように、細い１本のワイヤ（ピアノ線）１を複数個のワイヤガイドローラ２、３、４に設けた多数の溝に巻きつけて、ピアノ線１を一方向にあるいは往復運動をさせつつ台座５上の接着台６に接着した被切断物７に押しつけるようにし、上記バンドソーと同様に砥粒を分散させた液をワイヤと被切断物の接触部分に連続的に供給して切断するワイヤソーが用いられてきた。特に最後のワイヤソーは、用いるピアノ線の径が他の切断方式におけるダイヤモンド回転刃やバンドソーの鋼板の厚さに比べて小さいものを使用することができること、ワイヤガイドローラの材質およびその溝加工技術の向上によって、ワイヤを１ｍｍ以下の間隔で２００回以上巻き付けることができるため、高価な素材を切断代を少なく切断できること、あるいは多数枚の薄板を同時に切断加工することができること、さらには大きい被切断物を精度良く切断できるなどの利点から、大型のシリコン単結晶、石英材料や高価な化合物半導体、酸化物単結晶を切断ロスを少なくかつ高い生産効率で切断するのに有効な技術としてますます普及しつつある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようにワイヤソーは、従来の切断方式の中では優れた利点を有するが、従来のワイヤソーでは切断が進むにつれ、ワイヤが被切断物に食い込んで切断ワイヤと被切断物の接触する作用線が長くなり切断抵抗が増大すること、および砥粒液の切断部分への供給が阻害される結果として、切断物にソリや厚さむらを生じるので、大きな被切断物から切断代を少なく、かつ例えば厚さが２００μｍ以下のような薄い板材を精度良く切り出すには限界がある。すなわち切断代はワイヤ径に、砥粒の平均粒径にほぼ比例した一定の値を加算した値となり、主としてワイヤ径と砥粒平均径によって決定される。他方ワイヤは一定の張力でワイヤガイドローラの溝に巻き付けられた状態で使用され、特に大きな被切断物を切断したり、あるいはまた高速度で切断するためにはワイヤに大きな張力をかけることが必要である。したがって切断代を少なくするために細いワイヤを使用すると、ワイヤにかける張力の上限が低くなるため切断速度は一般に低くおさえなければならず大きな被切断物の切断には不利となる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような従来のワイヤソーの限界を打ち破り、従来よりもさらに大きな被切断物を切断することが可能な新しいワイヤソーを提供する。あるいは、また通常の切断条件ならば従来よりもさらに高速に切断することが可能なワイヤソーに関するものであり、あるいはさらには、本発明のワイヤソーでは以上のほかに切断箇所に加わる負荷（切断抵抗）が少なくなるため、従来よりさらに細いワイヤを使用することができるので、切断代を少なくすることができるほか、従来よりさらに薄く例えば２００μｍ以下の厚さに切断することが可能であり、さらにはまた加工精度すなわちソリとか厚みむらの極めて小さい薄板を切り出すことが可能となるワイヤソーを提供するものである。
【０００５】
すなわち特許請求の範囲に記載したとおり、本発明のワイヤソーは、左右のワイヤガイドローラに平行に張り渡されたワイヤを走行させてワークを切断するワイヤソーであって、ワークを一端で保持し他端を支点に回動自在であるワーク保持アームと、前記ワーク保持アームを前記支点を中心として左右に揺動させる機構と、前記ワーク保持アームの他端を上下動させる機構と、前記ワーク保持アームを左右に揺動するタイミングと前記ワーク保持アームの他端を上下動させるタイミングとを合わせて動かすように制御する制御機構とを備えることを特徴とする。
また、左右のワイヤガイドローラに平行に張り渡されたワイヤを走行させてワークを切断するワイヤソーであって、ワークを一端で保持し他端を支点に回動自在であるワーク保持アームと、前記ワーク保持アームを前記支点を中心として左右に揺動させる機構と、前記ワーク保持アームの他端を左右動させる機構と、前記ワーク保持アームを左右に揺動するタイミングと前記ワーク保持アームの他端を左右動させるタイミングとを合わせて動かすように制御する制御機構とを備えることを特徴とする。
さらに、左右のワイヤガイドローラに平行に張り渡されたワイヤを走行させてワークを切断するワイヤソーであって、ワークを一端で保持し他端を支点に回動自在であるワーク保持アームと、前記ワーク保持アームを前記支点を中心として左右に揺動させる機構と、前記ワーク保持アームの他端を上下動させる機構と、前記ワーク保持アームの他端を左右動させる機構と、前記ワーク保持アームを左右に揺動するタイミングと前記ワーク保持アームの他端を上下動させるタイミングと前記ワーク保持アームの他端を左右動させるタイミングとを合わせて動かすように制御する制御機構とを備えることを特徴とする。
本発明の切断方法は、前記ワーク保持アームの他端が、前記ワーク保持アームの１回当たりの揺動の度に１回上下動、あるいは左右動することによって、切断面における切断された部分と切断されるべき未切断部分との境界線が、常にワイヤに対し凸となるような曲率を有してワイヤと接するようにして前記ワークを切断することを特徴とする請求項１、２、３のいずれかに記載のワイヤソーを用いる切断方法であり、また、前記ワーク保持アームの他端が、前記ワーク保持アームの１回当たりの揺動の度に１回上下動、および左右動することによって、ワイヤがワークと接触する切断部位がワイヤガイドローラに対し略一定の位置を保つようにして前記ワークを切断することを特徴とする請求項３に記載のワイヤソーを用いる切断方法である。
本発明のワイヤソーは、切断された部分と切断されるべき未切断部分の境界線が、ワイヤに対して凸となるような曲率を有して、走行するワイヤと接するように構成することによって切断部位にかかる切断負荷を低く保ちつつ切断することに特徴を有する。このような機能を実現する手段として、被切断物（ワーク）を切断面を含む平面に垂直な方向の軸の周りに往復回転運動させる機構を有している。さらに後に詳細に述べるように被切断物を往復回転運動させつつその揺動面と平行な面内で被切断物を移動させる機構をあわせ備えることが有効である。
【０００６】
これによって図２に示すように、本発明の方式では従来の方式とは異なり、ワイヤ１は被切断物７に常に点状ないしはわずかな長さで押接されるので、切断部位（ワイヤが被切断物に押接される作用線）の単位長さあたりに加わるワイヤの切断荷重は、ワイヤ１の張力を同じ値に設定したとして、本発明方式では従来方式に比べて大きくなり、かつ切断中をとおしてほぼ同じ値に保持される。さらに本発明の切断方式では砥粒液の切断箇所への供給も従来方式に比べて円滑に行われる結果以下の効果が発揮される。
（１）  ワイヤ径およびワイヤ張力が同じ場合切断速度が速くなる。
（２）  大きな被切断物でも、ワイヤガイドローラ間のワイヤ切断部の長さが十分あれば容易に切断できる。
（３）  同一の切断条件ではより細いワイヤで切断が可能であり、より薄い切断物を得ること、すなわち換言すれば一定の長さの被切断物からはより多くの切断物を得ることができる。
以上のほかすでに述べたように、
（４）  切断物の厚さむらやソリが低減できる。
（５）  砥粒液の切断箇所への供給がより円滑になるため、平均粒径のより小さい砥粒液の使用が可能で、切断代の一層の低減と加工表面の粗さの低減が実現できる。
【０００７】
【作用】
このような特徴を具現する手段についてさらに詳しく述べる。本発明の思想は、切断用ワイヤが被切断物に押接される作用線の長さを点状ないしはできる限り短くすることによってワイヤにかかる切断負荷が小さい状態で有効に被切断物を切断することであり、これを実現するために、被切断物の既切断部分と未切断部分との境界線がワイヤに対し凸となるような曲率を有した状態でワイヤと接触させるようにすることにあるので、比較的被切断物が小さく、被切断物が回転揺動運動をしてもワイヤガイドローラと接触することがない場合には、図３に示すように、被切断物７を一端に固着したワーク保持アーム８を、ワイヤ１の走行方向に直進往復するクランク９によって他端の部分に設けた回転中心Ｏの周りに回転往復運動させ、かつこれら全体を従来の機械と同様の上下機構によって切断面内でワイヤ走行方向に対し直角に移動させることによって、被切断物７を走行ワイヤ１に常にほぼ一定の条件で押接するようにすればよい。すなわちこの場合の上下方向の移動は、被切断物が回転往復運動の際、ワイヤ１と直交する垂線（Ｚ軸方向）となす角の値に応じて、（１）式に従うように制御することによって実現できる。
ｚ＝ｒ（１−ｓｉｎθ）                  （１）
ここに
ｒ＝Ｒ−ｖc ｔ
θ＝θ0 ＋ωｔ
ｚ  ：回転中心Ｏ点とワイヤとの距離
ｒ  ：回転中心Ｏ点と切断部位（Ｃ点）との間の距離
Ｒ  ：回転中心Ｏ点と、Ｏ点から最長の距離にある被切断物外周上の点
Ｔまでの距離
θ  ：回転中心Ｏ点の回りのＴ点のＺ軸方向からの変位角
ω  ：回転中心Ｏ点の回りの往復回転運動の角速度
ｖc ：回転中心Ｏ点のＺ軸方向の移動速度
θ0 ：ワーク保持アーム軸とＯＴとのなす角
ｔ  ：時間
【０００８】
しかし被切断物が大きくて往復回転運動によって被切断物が切断の進行と共にワイヤガイドローラと接触する場合、あるいはさらに一般的には、被切断物がワイヤと接触する切断部位（Ｃ点）がワイヤガイドローラに対し常にほぼ一定の位置を保つようにする方が、ワイヤへの切断負荷やワイヤのたわみ量が時間的に安定するため好ましいので、この場合には上記の機構の他に、図４に示すように往復回転運動と呼応して、ワーク保持アーム８の回転中心Ｏをワイヤ走行方向と平行な方向（Ｘ軸方向）に、往復運動させる機構を付加するとよい。この場合にはワーク保持アーム８の回転中心Ｏの台座１０そのものをＸ軸方向に移動させればよく、これはウオームギアとステッピングモータによるサーボ機構によって容易に実現できる。
【０００９】
このようにワイヤと被切断物の接触する切断部位（Ｃ点）を、ワイヤガイドローラに対し一定の位置に保ちつつ切断加工を最も効率的に実施するには、被切断物の断面形状が例えば円形の場合、図５に例示するように、ワーク保持アーム回転軸１１の回転中心Ｏは切断の進行と共に被切断物の切断曲線Ｓと呼応してＳと鏡像の関係にあるＳ′の如き階段状円弧運動をさせればよい。この階段状円弧運動の軌跡は、被切断面が円形の場合には往復回転運動のＺ軸に対する変位角θに対しＸ方向およびＺ方向の移動量を計算によって導くことができるので、あらかじめθ（ないしは角速度ω）と共に往復回転機構とＸ方向およびＺ方向の移動機構にこれらの移動量ないしは計算式をプログラム設定することによって実現できる。被切断物の断面形状が任意の場合にも、その形状をあらかじめプログラムに入力することによって、その形状に応じて図６に示すように、Ｏ点を階段状円弧運動させることによって本発明の方法を実施することができる。
この際Ｒおよびθの範囲は、被切断物の形状、大きさによって異なるが、θはＯ点を通り被切断物に外接する２本の線より１〜２度大きく、Ｒはθの絶対値の最大値が３０度を超えない範囲に設定することが好ましい。
【００１０】
以下図１によって本発明のワイヤ切断機の一実施態様を説明する。
部材１，２，３，４，５，６は、図７に示す従来のワイヤソーを構成するもので、７は被切断物を示す。本発明ではこれを、ワーク保持アーム回転軸１１を中心とし小さな角度で左右に揺動するワーク保持アーム８で支えている。ワーク保持アーム８は長さ方向にスリット１２を有し、これに揺動駆動軸１３に固定されたピン１４がスリット１２内をすべり運動するように構成されている。揺動駆動軸１３は揺動用モータ１５の可逆回転により往復運動して、被切断物７をワーク保持アーム回転軸１１を中心として走行するワイヤ１と平行な面内で回転往復運動をさせる。
一方ワーク保持アーム８は平行移動台座１６に支持され、平行移動台座１６は平行移動台座駆動用モータ１７の可逆回転により、ベース１８上をワイヤ１に平行に往復移動することができる。揺動用モータ１５より得た変位角θおよびワーク保持アーム回転軸１１の回転中心Ｏと切断部位（Ｃ点）との距離ｒを、図示しないコンピュータが受けて平行移動台座１６の移動量ΔＸを計算し、ΔＸの距離だけこの平行移動台座駆動用モータ１７は、平行移動台座１６を移動させる。
さらにベース１８は両端を上下駆動用らせん軸１９によって支持されており、これは上下駆動用モータ２０によって可逆回転され、ベース１８を上下動させる。モータ２０はモータ１５、１７と連動して、図示しないコンピュータにより回転を制御される。
【００１１】
【発明の効果】
本発明のワイヤソーにより、下記（１）〜（３）に示したような効果を持つ切断を行うことができ、特に太陽電池用シリコンウエーハの切り出し等において有利で産業上益するところがきわめて大きい。
（１）  切断速度が大きく作業効率が向上する。
（２）  細いワイヤを使用することができること、あるいは砥粒液を円滑に供給できるため、平均粒径のより小さい砥粒を使用することができるので、（ａ）切断代が減少して高価な被切断物から材料の切断ロスを少なく切り出すこと、（ｂ）高精度の切断すなわちソリや厚さむらの少ない切断物を容易に切り出すこと、（ｃ）２００μｍ以下のような薄板を切り出すことができる。
（３）  揺動運動をさせても装置が過大となるようなことはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のワイヤソーの一実施態様を示す側面図である。
【図２】本発明のワイヤソーによる切断面の説明図である。
【図３】本発明のワイヤソーの原理説明用概略図である。
【図４】本発明のワイヤソーの原理説明用概略図である。
【図５】被切断物の断面が円形の場合のワーク保持アーム軸の回転中心の運動説明図である。
【図６】被切断物の断面が任意形状の場合のワーク保持アーム軸の回転中心の運動説明図である。
【図７】従来のワイヤソーの一部の斜視図である。
【符号の説明】
１…ワイヤ
２，３，４…ワイヤガイドローラ
５…台座
６…接着台
７…被切断物
８…ワーク保持アーム
９…クランク
１０…台座
１１…ワーク保持アーム回転軸
１２…スリット
１３…揺動駆動軸
１４…ピン
１５…揺動用モータ
１６…平行移動台座
１７…平行移動台座駆動用モータ
１８…ベース
１９…上下駆動用らせん軸
２０…上下駆動用モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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