(57)【要約】      （修正有）【課題】プーリの摩耗から生じるワイヤの捩れを抑制し、ワイヤの摩耗率及びワイヤの断線率を低下させ、長期間にわたって高い加工精度を保つことが出来るとともに、簡素な構造とコスト削減効果を持ち合わせたワイヤソー装置を提供することである。【解決手段】本発明に係るワイヤソー装置は、切断用ワイヤと、ワイヤを懸架する複数のプーリ２とを有し、プーリ２に懸架されたワイヤを一方向または往復走行させ、被加工物をワイヤに押し付けて被加工物を切断するワイヤソー装置である。その中で、プーリ２は、軸周囲のコア部と、コア部の外周面に形成されワイヤを当接させて走行させるためのフラット状の支持表面３２と、を備え、その支持表面にはワイヤが係合する底面が半円型のガイド溝３１を設けたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
切断用ワイヤと、前記ワイヤを懸架する複数のプーリとを有し、前記プーリに懸架されたワイヤを一方向または往復走行させ、被加工物を前記ワイヤに押し付けて前記被加工物を切断するワイヤソー装置であって、前記プーリは、軸周囲のコア部と、前記コア部の外周面に形成され前記ワイヤを当接させて走行させるためのフラット状の支持表面と、を備え、前記支持表面にはワイヤが係合する断面が半円型のガイド溝を設けたことを特徴とする、ワイヤソー装置。
【請求項２】
前記ガイド溝が前記ワイヤの線径の１／３〜２／３の深さであるプーリを備えた、請求項１に記載のワイヤソー装置。
【請求項３】
前記プーリの支持表面の両端の外側面に鍔を設けるプーリを備えた、請求項１または請求項２に記載のワイヤソー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン、サファイア、ＣＦＲＰといった硬脆材料を切断するワイヤソー装置に関する。さらに詳しくは、ワイヤを当接させガイドするプーリが、従来のプーリよりもワイヤの捩れを抑制することを目的とし、ワイヤの断線率や摩耗率を逓減させることも可能なプーリを備えた、ワイヤソー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、サファイア、シリコン等から、例えばブロック状、又はブリック状、薄い切片に、太陽電池産業、半導体産業で使用されるウェハ等を切り出す手段としてワイヤソー装置が知られている。ワイヤソー装置で用いられるワイヤの１つとして、例えば、鋼線で形成された芯線にダイヤモンド等の砥粒が電着、レジン等で固定された固定砥粒ワイヤがあげられる。固定砥粒ワイヤの使用により、加工液と砥粒とを混合したスラリーが不要となり、水溶性または不水溶性の切削液を利用することができる。このため、切断時に飛散するスラッジによって切断装置およびその周辺が汚染されることを抑制でき、作業環境の改善を図れることから、最近では、固定砥粒方式のワイヤソー装置のニーズが高い。ワイヤソー装置を構成する要素として、例えば、ワイヤと、ワイヤをガイドする複数のプーリと、ワイヤ列を形成する２つのワークローラとがあげられる。プーリとワークローラは、異なるタイミングと場所でワイヤを支持し走行させ、減速させ、ガイドしている。
【０００３】
また、新たに、多軸制御により自在に移動可能な１台のロボットアームの先端に、一本のワイヤを複数のプーリに懸架し走行させるワイヤソーユニットを接続させ、被加工物を加工切断していくロボットアームワイヤソーも開発されている。プーリの構成として、ワイヤの被加工物切断域を形成する２つのガイドプーリと、ワイヤソーユニット内の軸支された複数のプーリとが挙げられる。
【０００４】
通常、ワイヤソー装置で用いられるプーリには、外周面（ワイヤ支持表面）にワイヤの横移動を拘束するＶ字型のテーパー状のガイド溝が設けられており、それに沿ってワイヤが走行する。図６は、砥粒４１を固着したワイヤ４２が懸架されている、Ｖ字型のガイド溝４３を設けた従来型のプーリ４０の模式断面図である。Ｖ字型のテーパー状の溝側面に長時間にわたりワイヤが接触すると、摩擦が生じプーリのガイド溝の形状が変形する偏摩耗を引き起こす。当然のことながら、プーリとして表面の偏摩耗を引き起こし易ければ、定期的にプーリを交換する頻度も多くなる。また、ワイヤが不安定な形でガイド溝にはまりこむようになると、精度の高い加工切断は難しくなる。さらには、ワイヤのスムーズな走行が阻害され、ワイヤの捩れがおこる。その捩れから、ワイヤの芯線自体が金属疲労を蓄積し、断線率が高くなる。
【０００５】
上記問題を解決するために、次のような各種のワイヤソー装置に用いられるプーリが提案されている。
【０００６】
複数のプーリによりワイヤの走行がガイドされるワイヤソー装置において、ワイヤの走行経路上に、ワイヤをガイドする少なくとも３つのプーリ（本文献のガイドローラに相当）を設け、前記走行経路上に並ぶ３つのプーリのうち、両端のプーリの外周面であるワイヤ支持表面はＶ字型のガイド溝（第１ガイド溝）を備え、真ん中の１つのプーリはフラット型のガイド溝（第２ガイド溝）を備えている。第１ガイド溝を有するプーリと第２ガイド溝を有するプーリは同走行経路上で隣接していることを特徴とする。２つのＶ字型の第１ガイド溝のプーリによりワイヤの溝幅方向への移動が制限される一方で、第２ガイド溝のプーリにより、ワイヤのプーリの溝幅方向への移動が許容される。そのため、両端の第１ガイド溝にガイドされるワイヤに心ズレが存在する場合でも、底部フラット型の第２ガイド溝によってワイヤの移動が許可され、捩れが生じるのを抑制している（例えば、特許文献１）。
【０００７】
また、プーリの外周面であるワイヤ支持表面の周方向に、複数のくぼみを等間隔に設けて、くぼみ同士の間隔を中間部としてワイヤを当接させガイドする。くぼみは、プーリの軸方向に対して０．５ミリから２ミリの深さを有しており、くぼみ上のワイヤはワイヤ支持表面と当接しないため摩擦を受けない。その結果、ワイヤによるプーリのワイヤ支持表面の摩耗を逓減している。結果、プーリの溝形状の変形がおこりにくくなり、ワイヤの捩れを抑え、ワイヤの断線も起こりにくくしている（例えば、特許文献２）。
【０００８】
また、プーリのワイヤ支持表面のガイド溝の底部に周方向に離間させて埋没させた複数の耐摩耗部材を備えることを特徴とするプーリが知られている。耐摩耗部材は、支持するワイヤ及びワイヤ上に固着された砥粒と同等以上の硬さを備え、ダイヤモンドが用いられることもある。これにより、プーリの摩耗を抑制し、結果、ワイヤの捩れと断線率の低下へとつなげている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第５０６４５８３号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２０１４／１８４７５３号公報
【特許文献３】特開２００６−２５５８４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に開示されたワイヤソー装置では、ワイヤの走行経路上に、ワイヤをガイドする少なくとも３つのプーリを隣接して設け、３つのプーリのうち両端のプーリの外周面であるワイヤ支持表面はＶ字型のガイド溝（第１ガイド溝）で、真ん中の１つのプーリはフラット型のガイド溝（第２ガイド溝）を備えることを要件としているため、複雑な構成となっている。また、２つの第１ガイド溝を通過する時にかかるワイヤのストレスと、第２ガイド溝を通過する時のワイヤのストレスが一律でないため、走行するワイヤは安定性を欠き、切断加工精度を保つことが難しい。
【００１１】
特許文献２に開示されたプーリは、ワイヤとプーリのワイヤ支持表面との接触面積を減らしてプーリの摩耗逓減に効果を発揮するものではあるが、ワイヤ自身の溝方向への移動が制限されず、ワイヤの捩れ抑制効果は薄い。
【００１２】
特許文献３に開示されたプーリでは、プーリのガイド溝に埋没させる耐摩耗部材にコストがかかる。ガイド溝の底部の摩耗は抑えられるが、ガイド溝側面の摩耗は抑制されず、偏摩耗が生じ、ワイヤの捩れ抑制効果は薄い。
【００１３】
したがって、本発明の課題は、プーリの摩耗から生じるワイヤの捩れを抑制し、ワイヤの摩耗率及びワイヤの断線率を低下させ、長期間にわたって高い加工精度を保つことが出来るとともに、簡素な構造とコスト削減効果を持ち合わせたワイヤソー装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
すなわち、上述の課題を解決するために、請求項１の発明は、切断用ワイヤと、前記ワイヤを懸架する複数のプーリとを有し、前記プーリに懸架されたワイヤを一方向または往復走行させ、被加工物を前記ワイヤに押し付けて前記被加工物を切断するワイヤソー装置であって、前記プーリは、軸周囲のコア部と、前記コア部の外周面に形成され前記ワイヤを当接させて走行させるためのフラット状の支持表面と、を備え、前記支持表面にはワイヤが係合する断面が半円型のガイド溝を設けたことを特徴とする、ワイヤソー装置である。
【００１５】
また、請求項２の発明は、前記ガイド溝が前記ワイヤの線径の１／３〜２／３の深さであるプーリを備えた、請求項１に記載のワイヤソー装置である。
【００１６】
また、請求項３の発明は、前記プーリの支持表面の両端の外側面に鍔を設ける、プーリを備えた請求項１または請求項２に記載のワイヤソー装置である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のワイヤソー装置のプーリで採用されるガイド溝の形状は、半円で、ワイヤの形状と類似しているため、従来のＶ字型のガイド溝よりも接触によるストレスが緩和され、ワイヤ及びプーリの摩耗逓減効果を産み出す。その結果、ワイヤの偏摩耗からの捩れが抑制され、ワイヤの芯線自体に蓄積する金属疲労軽減にもつながり、ワイヤの断線が抑制される。また、ワイヤが半円形状のガイド溝に係合するので、ワイヤの横移動が適度に制限され、ワイヤ走行が安定するので加工精度が安定する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るプーリの斜視図である。
【図２】本発明に係るプーリの正面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る、図２のＡ−Ａ方向の一部拡大断面図である。
【図４】本発明に係るプーリが適用されたワイヤソー装置を概略的に示す全体図である。
【図５】本発明に係るプーリが適用されたロボットアームを用いたワイヤソー装置を概略的に示す全体図である。
【図６】従来のＶ字型のガイド溝が施されたプーリの模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００２０】
図１、図２によって示されるプーリ２は、本発明の対象となるプーリである。ここにおいて、プーリ２のワイヤ支持表面３２はフラット形状で、そこに設けられる断面が半円型のガイド溝３１は、ワイヤ８が適度に納まる程度、すなわち、ガイド溝３１がワイヤの線径の１／３〜２／３の深さであることが好ましい。さらに好ましくは、ガイド溝３１は少なくとも線径の１／２の深さを有する。半円型により、ワイヤ８がガイド溝３１の断面に満遍なく接触することで、ストレスがプーリ２のガイド溝３１の径方向に分散され、プーリ２の偏摩耗を抑制できる。
【００２１】
ワイヤソー装置を稼働させ、被加工物９を切断加工する際には、ワイヤ８にかかる負荷により、プーリからワイヤが外れるアクシデントが少なからずある。本発明では、プーリ２に懸架されたワイヤ８がガイド溝３１から外れ、最終的にプーリ２から外れないようにするための対策として、プーリ２の支持表面の両端の外側面に、鍔３３を設ける。しかしながら、ガイド溝３１が、ワイヤ８の横幅移動を十分に制御できる程度の深さを有していれば、鍔３３は無くても良い。
【００２２】
上記にワイヤ８がガイド溝３１から外れた場合の対策として、鍔３３を設けることを記載したが、別の対策として、プーリのワイヤの支持表面３２がフラット状であるのを、プーリの外側方向に向かってテーパー状にすることも考えられる。ガイド溝３１から外れたワイヤ８はテーパー状により自然に滑落し、ガイド溝に落ち着くことが出来る。図３では、（ａ）でワイヤ８の支持表面３２がフラット状のもの、（ｂ）でワイヤ８の支持表面３２がテーパー状のものを示す。
【００２３】
尚、本発明に係るプーリとは、プーリ２と、ガイドプーリ２ａ、２ｂと、プーリ２ｃ、２ｄとを総称するものである。
【００２４】
図４は、本発明の実施形態にかかるプーリが適用されるワイヤソー装置を概略的に示す全体図である。ワイヤソー装置１は、ワイヤ８が複数回懸架された供給リール６Ａと、ワイヤ８を巻き取る回収リール６Ｂと、ワイヤ８を所定の方向に導く複数のプーリ２と、プーリ２を先端に支持して揺動させるテンションアーム５と、ワイヤ８の張力を測定するロードセル３と、ワイヤ８が溝上に複数回巻き掛けられてワイヤ列を形成する２本のワークローラ７と、両ワークローラ７を回動自在に軸支する揺動円板１０と、２本のワークローラ７の間の上部に設けられた被加工物９を保持し、ワイヤ列に向けて被加工物９を押し付けるワーク保持部１１と、ワイヤソー装置１の動作を制御する制御装置（図示せず）などを備えて構成される。供給リール６Ａと回収リール６Ｂの近くに配されたプーリ２は、ワイヤ８を所定の方向にトラバースさせる。また、モーター４の駆動でテンションアーム５が揺動し、ワイヤ８に所定の張力を付与する。図４のワイヤソー装置では多数のプーリが必要であるが、全てを本発明のプーリ２にする必要はなく、例えばワイヤ８の負荷がかかりやすい場所にあるプーリまたは、ワイヤ８のテンションを調整する役割を担い揺動するプーリ等を本発明のプーリ２にすれば、ワイヤ８が半円型のガイド溝３１に係合することで、ワイヤ８の走行の安定性を確保出来る。
【００２５】
図５は、本発明のプーリが適用される別の実施形態に係るワイヤソー装置を概略的に示す全体図である。ワイヤソー装置２０では、回転自在な運動機能を備えたツールチェンジャー２７を介して、基端がベース２９上に取付けられたロボットアーム２１とワイヤソーユニット２３とが接続されている。一体のロボットアーム２１のため、被加工物の形状、大きさに合わせて、ロボットアーム２１の交換が容易であり、装置の設置スペースもそれほど必要がない。ロボットアーム２１の動作で、ワイヤソーユニット２３が自由に移動可能で、ワイヤソーユニット２３に隣接位置されたテーブル２２に載置された被加工物９に、ワイヤ８を押し付け、被加工物９を平面形状に切断加工するだけでなく、曲面形状に切断加工するといった多様な加工形態を実現できる。このように、ロボットアーム２１の動作に合わせてワイヤソーユニット２３が被加工物９をスムーズに切断加工していくのが、ワイヤソー装置２０の特徴であり、そのために機動力を確保できるよう、ワイヤソーユニット２３の内部構造は必要以上に複雑にならないよう留意しなければならない。また、市場ニーズに合致したコスト、切断加工精度を達成しなければならない。それら目的のために、本発明のプーリ２をワイヤソーユニット２３内部に配し、簡素な構造でワイヤ８の疲弊をおさえ、安定した切断加工精度を実現する。
【００２６】
ワイヤソーユニット２３は、ロボットアーム２１側のツールチェンジャー２７（２７ａと２７ｂの基板に分離）を介してロボットアーム２１に脱着可能に装着される。ワイヤソーユニット２３の内部は、複数回懸架されたワイヤ８を往復走行させる回動自在な供給リール２６ａ及び回収リール２６ｂと、供給されるワイヤ８と回収されるワイヤ８をガイドする複数のプーリ２と、ワイヤソーユニット２３先端でブラケット３１に固定された回転軸３２に軸支される２つのガイドプーリ２ａ、２ｂと、供給リール２６ａと回収リール２６ｂとを回転させる駆動源（図示せず）と、が設けられている。ここでは、複数のプーリ２のうち少なくとも一つは、張力調整用のテンションプーリである。また、ワイヤソーユニット２３の先端部に設けられるガイドプーリ２ａ、２ｂのガイド溝３１上を、ワイヤ８が通過し、ガイドプーリ２ａと２ｂ間に切断加工域２４を形成する。ワイヤソーユニット２３全体は、軽量で耐久性に優れた部材（例えば炭素繊維）のカバーで覆うことも出来る。
【００２７】
また、エアー吐出口を有するノズル３０を、切断加工域２４の近くに設けて、被加工物９の切断加工面にエアーを吹きつけ、切断屑を吹き飛ばし除去する構成をとってもよい。ノズル３０へのエアーの供給は、ロボットアーム２１内部のエアー供給源（図示しない）がエアーを排出して行う。エアー供給源から排出されたエアーは、ロボットアーム２１内のエアー供給用ホース２８を通過し、ツールチェンジャー２７を介して、接続されたワイヤソーユニット２３本体上部に配置された、エアー供給用ホース２８から、ノズル３０へ到達する。
【実施例】
【００２８】
［実験方法］
図５記載の構成のワイヤソー装置２０で、本発明にかかるプーリ２を用いて、ワイヤ８の捩れ耐久評価テストを行った。ワイヤ８を１ｋｍ使って、ワイヤの送り量２５０ｍｍ（ワイヤ平均線速９００ｍ／ｍｉｎ、張力４０Ｎ）の条件下で、回収リール２６ａと供給リール２６ｂから一番近いプーリ２ｃ、２ｄだけを、本発明に係るプーリ２に入れ替えたところ、ワイヤ８が断線するまでにかかった時間は２３時間３０分であった。
【００２９】
比較評価として、上記と同条件で、プーリ２ｃ、２ｄのみ従来のプーリ４０に置き換え評価を行ったところ、断線するまでにかかった時間は７時間３０分であった。
【００３０】
この実験結果により、ワイヤ８の捩れ及び断線の抑制効果として、本発明のワイヤソー装置が有するプーリ２は、従来のプーリ４０よりも有用性があることが実証できた。
【００３１】
尚、本発明は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り、各請求項に示した範囲内において、種々変更を加えることが可能である。すなわち、請求項に示した範囲内で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３２】
１      ワイヤソー装置
２      プーリ
２ａ    ガイドプーリ
２ｂ    ガイドプーリ  
２ｃ    プーリ
２ｄ    プーリ
３      ロードセル
４      モーター
５      テンションアーム
６Ａ    供給リール
６Ｂ    回収リール
７      ワークローラ
８      ワイヤ
９      被加工物
１０    揺動円板
１１    ワーク保持部
２０    ワイヤソー装置
２１    ロボットアーム
２２    テーブル
２３    ワイヤソーユニット
２４    切断加工域
２６ａ  供給リール
２６ｂ  回収リール
２７    ツールチェンジャー
２８    エアー供給用ホース
２９    ベース
３０    ノズル
３１    ガイド溝
３２    支持表面
３３    鍔
４０    従来のプーリ
４１    砥粒
４２    ワイヤ
４３    ガイド溝
【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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