(57)【要約】【課題】  ワイヤが長寿命であり、且つ加工精度が高く、信頼性の高いワイヤソー装置を提供すること。【解決手段】  約１２０μｍの直径のワイヤ２と約１ｍｍの間隔を置いて磁石２０をエポキシ樹脂により接合したランジュバン型超音波振動子１３を位置させる。そして、ワイヤ２を挟んでランジュバン型超音波振動子１３に対向する位置にスラリまたは切削液１１を噴出する供給装置１０を設置する。供給装置１０から噴出されるスラリまたは切削液１１は、ワイヤ２及び磁石２０の表面を点線で示すように貯まる。そして、ランジュバン型超音波振動子１３の超音波振動は磁石２０に伝搬し、確実にスラリまたは切削液１１を伝搬してワイヤ２に到達してワイヤ２を超音波振動させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
遊離砥粒を含むスラリを供給された走行するワイヤまたは、砥粒を固定した走行するワイヤに対し被切断物を押し付け接触させて、被切断物を切断するワイヤソー装置において、ワイヤと超音波振動子の間にスラリまたは切削液を介在させ、前記超音波振動子に交流電圧を印加することを特徴とする。
【請求項２】
ワイヤを挟んで前記超音波振動子と相対する位置にスラリ又は切削液の供給装置を位置させることを特徴とする請求項１に記載のワイヤソー装置。
【請求項３】
ワイヤを挟んで上部にスラリ又は切削液の供給装置を位置させ、ワイヤを挟んで下部に前記超音波振動子を位置にさせることを特徴とする請求項１に記載のワイヤソー装置。
【請求項４】
前記超音波振動子に磁石を接合することを特徴とする請求項１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、例えば、サファイア単結晶などの脆性材料をワイヤにより切断するワイヤソー装置およびこれを用いた切断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  一般にワイヤソー装置は、複数の加工用ローラーが所定間隔をおいて配設され、それらのローラーの外周に複数の環状溝が所定ピッチで形成されており、それらの環状溝間には１本のワイヤが順に巻回されている。そして、加工用ローラーの回転にともなって、ワイヤを走行させながら、そのワイヤ上に遊離砥粒を含むスラリを供給し、この状態でワイヤに対し被切断物を押し付け接触させて、被切断物を切断するように構成されている。【０００３】  このように構成されるワイヤソー装置においては、切断能力を向上させるために各種の提案がなされている。例えば、特許文献１においては、外周に凹凸部を有した補助ローラーを被切断物近傍のワイヤに接触するように設け、このローラーの回転によりワイヤに対して直接上下に振動を付与するようにしている。【０００４】  しかしながら、上に述べたワイヤソー装置においては、ワイヤと補助ローラーが接触することにより、補助ローラーの外周に凹凸部が平坦化するためワイヤの振動は小さくなってしまう。このため、補助ローラーの頻繁な交換が必要である。また、被切断物を効率よく切断するために、１５ＫＨｚ以上の振動をワイヤの付与することが好ましいが、補助ローラに所望の振動数と振幅を発生させる凹凸部を設ける構成では難しい。【０００５】  そこで特許文献２のワイヤソー装置が提案された。このワイヤソー装置は、一対の磁界発生器を被切断物の加工域におけるワイヤ進行方向両側に設ける。そして、磁界発生器に対して、所定の駆動出力を供給し、磁界発生器を動作させて、ワイヤを間欠的に吸引し、ワイヤに対して上下振動を付与する。【０００６】  この発明によれば、ワイヤ列に近接し、微少間隔を介してワイヤに振動を付与する振動手段が設けられるため、ワイヤの振動により、ワイヤと被切断物との間に十分な量のスラリを供給することができ、効率的な切断加工を行うことができるとされている。しかも、ワイヤに振動を付与する振動付与手段がワイヤと接触しないため、その振動付与手段がワイヤによって切断されたり、磨耗されたりすることがなく、耐久性を向上させることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−９９２６２号公報
【特許文献２】特開２００１−６２７００号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】超音波便覧編集委員会、「超音波便覧」、丸善株式会社、平成１１年８月、ｐ６７９−６８４
【非特許文献２】日本電子機械工業会、「超音波工学」、株式会社コロナ社、１９９３年、ｐ２１８−２２９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  上記の特許文献２に記載のワイヤソー装置においては、ワイヤと非接触で交流電源から磁界発生器によりワイヤに交番する振動力を印加するものであるが、非接触であるためワイヤに十分な振幅幅を与えることは困難である。そして、ワイヤの振幅幅を調整することは困難である。さらに振動方向を制御することも困難である。【００１０】  また、磁界発生を発生させるための交流電源は、１５ＫＨｚ以上の超音波領域では、効率が低く熱を発生させるのでワイヤの温度を上昇させる虞がある。ワイヤの温度上昇は加工精度の悪化そしてワイヤの寿命を短くすることの原因にもなる。【００１１】  本発明の目的は、加工精度が高く、かつ切断速度を向上させることができるワイヤソー装置およびこれを用いた切断方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  本発明は、遊離砥粒を含むスラリを供給された走行するワイヤまたは、砥粒を固定した走行するワイヤに対し被切断物を押し付け接触させて、被切断物を切断するワイヤソー装置において、ワイヤと超音波振動子の間にスラリまたは切削液を介在させ、前記超音波振動子に交流電圧を印加するものである。【００１３】  本発明はまた、ワイヤを挟んで前記超音波振動子と相対する位置にスラリ又は、切削液の供給装置を位置させるワイヤソー装置とするものである。【００１４】  本発明はまた、ワイヤを挟んで上部にスラリ又は切削液の供給装置を位置させ、ワイヤを挟んで下部に前記超音波振動子を位置にさせるワイヤソー装置とするものである。【００１５】  本発明はまた、前記超音波振動子に磁石を接合するワイヤソー装置とするものである。
【発明の効果】
【００１６】  本発明のワイヤソー装置を用いた切断加工により、高精度かつ高速加工が可能となり、さらにワイヤが長寿命となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の構成のワイヤソー装置を示す斜視図である。
【図２】ワイヤ、ランジュバン型超音波振動子そして供給装置の詳細を示す平面図である。
【図３】ワイヤ、ランジュバン型超音波振動子そして供給装置の詳細を示す側面図である。
【図４】ランジュバン型超音波振動子の平面図である。
【図５】ランジュバン型超音波振動子の側面図である。
【図６】液体を介してワイヤに磁石を接合したランジュバン型超音波振動子の超音波振動が伝播することを実証する装置の概略図である。
【図７】液体を介してワイヤにランジュバン型超音波振動子の超音波振動が伝播することを実証する装置の概略図である。
【図８】磁石を接合したランジュバン型超音波振動子の先端に近接板を接合した平面図である。
【図９】磁石を接合したランジュバン型超音波振動子の先端に近接板を接合した側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】  以下、本発明に関わるワイヤソー装置の実施の形態について図１の斜視図を用いて説明する。ワイヤソー装置１は、１本のワイヤ２を巻きつける３個の多溝ローラー３ａ、３ｂ、３ｃを有し、各多溝ローラーに、例えば約１２０ミクロンの直径を有するワイヤ２を巻き付けるワイヤ列を構成し、このワイヤ列のワイヤ２をワイヤ駆動モータ４により駆動されるドライブ側多溝ローラー３ａの駆動により往復運動させるようになっている。またワイヤ２を巻き取り、送り出すボビン５ａ、５ｂを持っている。多溝ローラー３ａ、３ｂ、３ｃの表面に設けられた複数の溝は図面の都合上省略した。また、ワイヤ２に超音波振動を印加するランジュバン型超音波振動子１３とスラリまたは切削液１１を噴出する供給装置１０を設置する。
【００１９】  次にワイヤ２に超音波振動を印加するランジュバン型超音波振動子１３とスラリまたは切削液１１を噴出する供給装置１０を図２の平面図と図３の側面図を用いて説明する。約１２０μｍの直径のワイヤ２と約１ｍｍの間隔を置いて磁石２０をエポキシ樹脂により接合したランジュバン型超音波振動子１３を位置させる。そして、ワイヤ２を挟んでランジュバン型超音波振動子１３に対向する位置にスラリまたは切削液１１を噴出する供給装置１０を設置する。ここで供給装置１０から磁石２０の表面に直接スラリまたは切削液１１が噴出されることが、磁石２０−の表面にスラリまたは切削液１１を保持するために求められる。
【００２０】  供給装置１０から噴出されるスラリまたは切削液１１は、ワイヤ２及び磁石２０の表面を図２、図３の点線で示すように貯まる。スラリまたは切削液１１を磁石２０の表面に貯めることにより、ワイヤ２は常にスラリまたは切削液１１に接触する。そして、ランジュバン型超音波振動子１３の超音波振動は磁石２０に伝搬し、確実にスラリまたは切削液１１を伝搬してワイヤ２に到達してワイヤ２を超音波振動させる。つまり、スラリまたは切削液１１をワイヤ２に常に接触させるためには、供給装置１０をワイヤ２の上方に位置させ、スラリまたは切削液１１をワイヤ２の下で受けるため超音波振動子１３をワイヤ２の下に位置させる。
【００２１】  ここに用いた超音波振動子１３の詳細を図４の平面図、そして図５の側面図を用いて説明する。超音波振動子１３はランジュバン型超音波振動子と呼ばれているもので、アルミ合金製のフロントマス１４と同じくアルミ合金製のメネジを持ったリアマス１５の間に圧電セラミック１６ａ、１６ｂと燐青銅製の電極板１２ａ、１２ｂを、鋼製のボルト１７により締め付け一体化したものである。その後、ランジュバン型超音波振動子に磁石をエポキシ樹脂により接合した。そして燐青銅製の電極板１２ａ、１２ｂはハンダにより図示しないリード線が接続されている。リード線の他方は図示しない超音波発振器に接続されている。
【００２２】  実際の超音波振動子１３の形状について説明する。ランジュバン型超音波振動子１３は、直径２５ｍｍ、長さ９１ｍｍである。また、ランジュバン型超音波振動子１３に接合する磁石２０はネオジ鉄製であり直径２５ｍｍ、長さ５ｍｍである。磁石２０をエポキシ樹脂により接合したランジュバン型超音波振動子１３の共振周波数は約２３．７ＫＨｚであった。
【００２３】  液体を介してワイヤに超音波振動が伝播することを実証するために図６で示すような実験装置を作成する。
【００２４】  多溝ローラのモデル１９ａ、１９ｂの間にワイヤ２を渡し、ワイヤ２の両端に荷重として４００ｇの錘２２ａ、２２ｂを接続した。そして直径約５１ｍｍのサファイアインゴットをワイヤの中央に接触させる。多溝ローラのモデル１９ａとサファイアインゴットのほぼ中央の位置のワイヤ２の下に磁石２０をエポキシ樹脂により接合したランジュバン型超音波振動子１３を設置する。そしてワイヤ２と磁石２０の最短距離を約１ｍｍとした。また供給装置１０を磁石２０の真上に、そしてワイヤ２の上、約１０ｍｍに設置する。
【００２５】  ワイヤ２は、砥粒を固定した１２０μｍ直径のものであり、ランジュバン型超音波振動子１３は、直径２５ｍｍ、長さ９１ｍｍである。また、ランジュバン型超音波振動子１３に接合する磁石２０はネオジ鉄製であり直径２５ｍｍ、長さ５ｍｍである。磁石２０をエポキシ樹脂により接合したランジュバン型超音波振動子１３の共振周波数は約２３．７ＫＨｚである。そして供給装置１０の先端とワイヤ２の最短距離は、約１０ｍｍであり、供給装置１０の中心軸とランジュバン型超音波振動子１３の中心軸を一致させた。ワイヤ２と磁石２０の最短距離は約１ｍｍである。実験では、切削液として水２１を用いた。超音波振動子１３に印加する電圧を約２３．７ＫＨｚ、約１Ｖｐ−ｐとした。
【００２６】  そして図６の矢印で示すワイヤ２の位置をレーザドプッラー振動変位測定器により振動変位を測定した。その結果、約０．１μｍｐ−ｐを測定した。ここで印加電圧を大きくすると、ほぼ比例してワイヤ２の振動変位も大きくなることも確認した。また、ワイヤ２と磁石２０の最短距離は約２ｍｍとした場合は、ワイヤ２と磁石２０の最短距離の約１ｍｍに対して、約２０分の１の振動変位となった。したがって、ワイヤ２と磁石２０の最短距離を２ｍｍを越えることは、望ましくない。
【００２７】  また、図７に示すように磁石を取り外し、ランジュバン型超音波振動子１３のフロントマス１４の表面とワイヤ２の最短距離を約１ｍｍにした場合、ワイヤ２と磁石２０の最短距離の約１ｍｍに対して、約１０分の１の振動変位となった。このように磁石２０が存在すると超音波振動が大きくなる。これは、ワイヤ２の振動方向が磁石２０の方向（切断方向）に案内されるためと考えられる。これは、一般のワイヤソー装置１にも用いればワイヤ２の振動が切断方向に案内され、不要な切断方向と直交する方向の振動は制限される。
【００２８】  しかし、非切断物がフェライトのように磁性材料であるとワイヤが磁化されるので、切断粉がワイヤに付着する虞があるので好ましくない。したがって、この場合は磁石を取り外したランジュバン型超音波振動子を用いることが好ましい。
【００２９】また、図８の平面図、図９の側面図に示すようにワイヤ２と超音波振動する面を接近させるため、非切断物を固定するベース台と同じ材料であるカーボン材料を超音波振動面に近接板１８として接着する。そして、例えばワイヤ２に接触させカーボンに図のように凹みを作成する。この凹みに供給装置１０から噴射されるスラリまたは切削液１１が貯まる。またワイヤ２とカーボンの距離を簡単に１ｍｍ以下にできる。また、万が一直接ワイヤ２とカーボンが接触してもワイヤ２の切断の虞がない。
【００３０】  ベース台に好適な材料は、ワイヤで切断した時に、切断抵抗が小さく、かつワイヤに損傷を与えないものである。このようなベース台の材料として、カーボン材料の他、ガラスそしてプラスチックなどの材料がある。そして、ベース台の材料は、近接板としても好適である。
【００３１】  次に本発明のワイヤソー装置１を用いたサファイアインゴットの切断方法について説明する。ここでは、ワイヤは、ワイヤ表面に砥粒を固定したものを用いた。
【００３２】  最初に、図１に示すように、被切断物９であるサファイアインゴットをカーボン製のベース台８に接着する。また、ワイヤ列に対向する上方には、送りモータ６を有し被切断物９を送るフィードユニット７が設けられており、このフィードユニット７のカーボン製のベース台８に接着された被切断物９であるサファイアインゴットをワイヤ列に押し付けて研磨切断するようになっている。
【００３３】  ワイヤ駆動モータ４を回転させて、ワイヤ列を高速で動かし、そして図２、図３に示す磁石を接合したランジュバン型超音波振動子１３の圧電セラミック１６ａ、１６ｂに図示しない超音波発振器よりの超音波交流電圧を印加する。
【００３４】  そしてその先端がワイヤ２の約１０ｍｍ上に位置する供給装置１０を稼動させ切削液をランジュバン型超音波振動子１３の表面方向に噴出する。送りモータ６を回転させてサファイアインゴットをワイヤ列に接触させ、切断を開始し、切断を継続する。
【００３５】  ワイヤ２とその表面が約１ｍｍ離れた磁石２０の表面には常に切削液が供給されているため、切削液に伝搬した超音波振動がワイヤ２を超音波振動させる。また、磁石２０とワイヤ２は約１ｍｍ離れているためワイヤ２に損傷を与えることはない。
【００３６】  ワイヤ２の超音波振動により、ワイヤ２と被切断物９との摩擦が減少することにより、ワイヤ２の消耗は少なくなり、かつワイヤ２の切断の恐れも小さくなる。さらに、ワイヤ２と被切断物９との摩擦熱が小さくなるため、加工精度も向上する。したがって、従来よりもワイヤの走行速度を向上させることができるので、加工効率が向上する。
【００３７】  また、ワイヤ２の超音波振動により、ワイヤ２と被切断物９との間に切削液が十分供給されるので、切断速度が向上する。さらに、被切断物９の切断粉及びワイヤ２の消耗粉などが速やかに排除されるため加工精度は向上し、切断速度も向上する。
【００３８】  なお超音波切削加工は、例えば、非特許文献１に詳しく記載されている。超音波切削加工は、加工対象物と工具との摩擦抵抗が、小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして、切削工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。そして、加工速度が倍以上になることも非特許文献２に詳しく記載されている。
【００３９】  さらにワイヤ２には常に切削液が供給され、かつ超音波振動が切削液に付加されるため、ワイヤを超音波洗浄する効果も生じる。このため、ランジュバン型超音波振動子１３の位置において被切断物９の切断粉及びワイヤ２の消耗粉などが速やかに排除される。このことにより加工精度は向上し、切断速度も向上する。
【００４０】  以上の説明では、超音波振動子をランジュバン型のものを用いたが、例えば圧電セラミック単体のものでもよい。
【００４１】  上記のように、ワイヤに超音波振動を付与することによりワイヤが長寿命であり、加工精度の高い、信頼性の高いワイヤソー装置を提供できる。
【符号の説明】
【００４２】１    ワイヤソー装置
２    ワイヤ
３    多溝ローラー
４    ワイヤ駆動モータ
５    ボビン
６    送りモータ
７    フィードユニット
８    ベース台
９    被切断物
１０  供給装置
１１  スラリ又は切削液
１２  電極板
１３  超音波振動子
１４  フロントマス
１５  リアマス
１６  圧電セラミック
１７  ボルト
１８  近接板
１９  多溝ローラ
２０  ノズル
２１  水
【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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【図８】
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【図９】
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