(57)【要約】【課題】切れ味が良好で、工具寿命が長く、電着金属量の低減も図ることができるワイヤー工具を提供する。【解決手段】ワイヤー工具１００は、芯線１の外周１ａに電着金属層３０で砥粒２０を固着して形成された砥粒層５０を有し、電着金属層３０が吸水性フィラー４０を含有している。吸水性フィラー４０は、非導電性の多孔性無機水和物である球状シリカゲルである。電着金属層３０は、ニッケルメッキによって形成されている。吸水性フィラー４０の外径が、砥粒２０の平均粒子径以下である。吸水性フィラー４０は真球形状であり、電着金属層３０の厚みが１００μｍ以下であって、電着金属層３０中に含有されている吸水性フィラー４０の割合は１０ｖｏｌ％である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯線の外周に電着金属層で砥粒を固着して形成された砥粒層を有するワイヤー工具であって、前記電着金属層が吸水性フィラーを含有することを特徴するワイヤー工具。
【請求項２】
前記吸水性フィラーが非導電性の多孔性無機水和物を含むものである請求項１記載のワイヤー工具。
【請求項３】
前記多孔性無機水和物が気孔率２０％〜５０％のシリカゲル、アロフェン、アルミノシリケート、水酸化カルシウム若しくは水和物ゼオライトのうちのいずれか１以上である請求項２記載のワイヤー工具。
【請求項４】
前記電着金属層が、ニッケル、銅、亜鉛、リンのうちの少なくとも一つを含む請求項１〜３のいずれかに記載のワイヤー工具。
【請求項５】
前記吸水性フィラーの外径が、前記砥粒の平均粒子径以下である請求項１〜４のいずれかに記載のワイヤー工具。
【請求項６】
前記吸水性フィラーが真球形状であり、前記電着金属層の厚みが前記吸水性フィラーの平均粒子径以下であって、前記砥粒及び前記吸水性フィラーが単層である請求項１〜５のいずれかに記載のワイヤー工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池用シリコン、半導体用シリコン、磁性体、サファイア、ＳｉＣなどのインゴットをスライス加工する際に使用するワイヤー工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池用シリコン、半導体用シリコン、磁性体、サファイア、ＳｉＣなどのインゴット（加熱溶融して鋳型に流し込んで固化させて形成した塊状体）をスライス加工する際に使用するワイヤー工具については、芯線の外周に砥粒をレジンボンドで固着したレジンワイヤー工具と、砥粒をメッキで固着した電着ワイヤー工具とに大別される。
【０００３】
特許文献１，２などに記載されている電着ワイヤー工具は、砥粒保持力が強く、加工効率が高いなどの長所を有するが、柔軟性が低く、捩れに対して弱いという短所がある。また、レジンワイヤー工具は比較的安価な合成樹脂で砥粒が固着されているのに対し、電着ワイヤー工具は比較的高価な金属で砥粒が固着されているため、電着ワイヤー工具は材料コストが高く、製品価格も高価であることが知られている。
【０００４】
特許文献３には、砥粒の結合材として金属を使用し、砥粒層の中にフィラーとしてＳｉＣ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3などの硬質粒子が入れられた研削砥石が記載されている。特許文献４には、超砥粒より硬度の低いセラミックスフィラーを電鋳金属中に分散させることによってヤング率を低め、切断作業時に大きな力を受けても弾性変形で吸収できるようにした電鋳薄刃砥石が記載されている。
【０００５】
特許文献５，６には、ボンドの強度を高め、芯線から砥粒が脱落するのを防止するために、レジンボンド中にＳｉＣ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3などをフィラーとして添加したワイヤソーが記載されている。
【０００６】
特許文献７には、メッキに要する時間を短縮して生産性を向上させるとともに、砥粒の凝集を防止して切断性能を向上させるため、芯線の周囲に、砥粒と、シリカまたはアルミナなどの無機質の微粒子とをニッケルメッキにより固着した電着ワイヤソーが記載されている。
【０００７】
特許文献８には、工作物の形状精度が劣化するのを抑制するため、工作物に対して化学的作用を及ぼす液状物質を内包したマイクロカプセルと砥粒とを結合剤中に分散添加した砥粒工具が記載されている。
【０００８】
特許文献９には、切れ味と剛性を向上させるため、電鋳薄刃砥石の砥粒層を形成する金属メッキ相中に、超砥粒と砥石用フィラーとを分散配置したメタルボンド砥石が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭５３−１４４８９号公報
【特許文献２】特許第４１５７７２４号公報
【特許文献３】特開昭６２−８８５７２号公報
【特許文献４】特開２００２−８６３６０号公報
【特許文献５】特開２０００−２６３４５２号公報
【特許文献６】特開２００２−３６０９１号公報
【特許文献７】特開２００７−２６８６２７号公報
【特許文献８】特開２０００−７９５６６号公報
【特許文献９】特開平２００２−３８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ワイヤー工具を用いて被加工物（シリコンインゴットなど）をスライス加工する際には、クーラントが使用されるが、従来のワイヤー工具の場合、切断加工が行われている部分にクーラントが十分に供給され難いので、切断加工部分の温度が過熱し、砥粒が摩擦摩耗して、切れ味が悪化したり、工具寿命が低下したりするという問題がある。
【００１１】
一方、特許文献３記載の発明は、フィラーとして、ＳｉＣ，ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3などの硬質粒子を用いるものであり、特許文献４記載の発明は、金属結合層中にセラミックスのフィラーを分散配置するものであるが、特許文献３記載の研削砥石、及び、特許文献４記載の電鋳薄刃砥石は、ワイヤー工具と形状、用途が全く異なっているため、ワイヤー工具に関する前述した問題（クーラント不足による過熱に起因する切れ味の悪化及び工具寿命の低下）を特許文献３，４記載の技術で解決することはできない。
【００１２】
また、特許文献５，６記載の発明は、レジンワイヤー工具のレジンボンド中にＳｉＣ，ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3などのフィラーを添加したものであるが、これらの発明は、ボンドの強度を高めて、芯線からの砥粒脱落を防止することを目的としているため、切断加工中のクーラント不足による過熱に起因する切れ味の悪化及び工具寿命の低下を防止することはできない。
【００１３】
また、特許文献７記載の発明は、芯線の周囲に、砥粒と、シリカまたはアルミナなどの無機質の微粒子とをニッケルメッキで固着することにより、メッキ時間の短縮、砥粒の凝集防止を図るものであるため、切断加工中のクーラント不足による過熱に起因する切れ味の悪化及び工具寿命の低下を防止することはできない。
【００１４】
さらに、特許文献８記載の発明は、工作物に対して化学的作用を及ぼす液状物質を内包したマイクロカプセルと砥粒とを結合剤中に分散添加することによって、工作物の形状精度が劣化するのを抑制するものであり、特許文献９記載の発明は、電鋳薄刃砥石の砥粒層を形成する金属メッキ相中に、超砥粒と砥石用フィラーとを分散配置することにより、切れ味と剛性を向上させるものであるため、切断加工中のクーラント不足による過熱に起因する切れ味の悪化及び工具寿命の低下を防止することはできない。
【００１５】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、切れ味が良好で、工具寿命が長く、電着金属量の低減も図ることができるワイヤー工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のワイヤー工具は、芯線の外周に電着金属で砥粒を固着して形成された砥粒層を有するワイヤー工具であって、前記電着金属層が吸水性フィラーを含有することを特徴する。
【００１７】
このような構成とすれば、切断加工中のワイヤー工具の砥粒層上に常に冷却水（クーラント）が存在する状態を保つことが可能となり、クーラント不足による過熱が発生しなくなるので、過熱に起因する砥粒の摩擦摩耗が低減され、切れ味が良好に維持され、工具寿命も長くなる。また、吸水性フィラーが存在することにより、電気メッキによって形成される電着金属層量を低減することもできる。
【００１８】
ここで、前記吸水性フィラーが非導電性の多孔性無機水和物を含むものであることが望ましい。
【００１９】
このような構成とすれば、前記吸水性フィラーに含まれる、表面積の広い多孔性無機水和物が多量の水分子を吸着することができるので、冷却性を高めることができる。また、多孔性無機水和物が非導電性であることにより、電気メッキにより電着金属層を形成する工程において、吸水性フィラー上に電着金属がメッキされることなく、吸水性フィラーが露出した状態に保たれるので、完成したワイヤー工具は、ツルーイングなどの後処理を施すことなく、吸水機能を発揮することができる。
【００２０】
また、前記多孔性無機水和物は気孔率２０％〜５０％のシリカゲル、アロフェン、アルミノシリケート、水酸化カルシウム若しくは水和物ゼオライトのうちのいずれか１以上であることが望ましい。
【００２１】
シリカゲル、アロフェン、アルミノシリケート、水酸化カルシウム及び水和物ゼオライトは優れた吸水性を有するので、これらの物質の多孔性無機水和物を吸水性フィラーとして用いれば、十分な冷却機能を得ることができる。なお、多孔性無機水和物の気孔率が２０％未満であると多孔性無機水和物中に連通孔が形成されないので吸水性が発揮されず、５０％を超えると多孔性無機水和物の強度が弱くなることを実験的に確認している。
【００２２】
一方、前記電着金属層が、ニッケル、銅、亜鉛、リンのうちの少なくとも一つを含むものであることが望ましい。
【００２３】
このような構成とすれば、砥粒を強固に保持することができるので、優れた切れ味を維持することができ、工具寿命の向上にも有効である。
【００２４】
また、前記吸水性フィラーの外径が前記砥粒の平均粒子径以下であることが望ましい。ここで、前記平均粒子径は、株式会社堀場製作所のレーザ回析／散乱式粒度分布測定装置（ＬＡ−９２０）を用いて測定した値とする。
【００２５】
このような構成とすれば、被加工物（例えば、シリコンやサファイアのインゴットなど）を研削する場合、砥粒の平均粒子径以下の外径である吸水性フィラーは、被加工物に接触しないので、吸水性フィラーに起因する研削抵抗が発生せず、切れ味が向上する。なお、吸水性フィラーの総数の２／３以上の外径が砥粒の平均粒子径を超えると、砥粒を芯線の外周に電着固定することができなくなるので、吸水性フィラーの外径は砥粒の平均粒子径以下であることが望ましい。
【００２６】
さらに、記吸水性フィラーが真球形状であり、前記電着金属層の厚みが前記吸水性フィラーの平均粒子径以下であって前記砥粒及び前記吸水性フィラーが単層であることが望ましい。
【００２７】
吸水性フィラーが真球形状であれば、表面積が最も狭くなるので、研削抵抗になり難く、切れ味の向上に有効である。また、前記電着金属層の厚みが前記吸水性フィラーの平均粒子径以下であって前記砥粒及び前記吸水性フィラーが単層であれば、吸水性フィラーの一部が電着金属層から露出した状態となるので、吸水性を確保する上で有効である。
【００２８】
なお、前記電着金属層の厚みを１００μｍ以下とすれば、芯線の周面に形成された電着金属層の柔軟性を維持することができるため、捻回力が与えられたときの芯線からの電着金属層の剥離をなくし、砥粒を保持することができる。また、前記電着金属層中に含有された前記吸水性フィラーの割合が５ｖｏｌ％未満であると冷却機能が低下し、３０ｖｏｌ％を超えると電着金属層の強度が低下するので、電着金属層中に含有された吸水性フィラーの割合は５ｖｏｌ％〜３０ｖｏｌ％の範囲内が好適である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明により、切れ味が良好で、工具寿命が長く、電着金属量の低減も図ることができるワイヤー工具を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態であるワイヤー工具を示す部分断面図である。
【図２】図１に示すワイヤー工具の製造方法を示す図である。
【図３】従来のワイヤー工具の製造方法を示す図である。
【図４】図１に示すワイヤー工具の製造工程の一部を示す断面図である。
【図５】図１に示すワイヤー工具による切断加工作業を示す一部省略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態について説明する。本実施形態のワイヤー工具１００は、芯線１の外周１ａに電着金属層３０で砥粒２０を固着して形成された砥粒層５０を有し、電着金属層３０が吸水性フィラー４０を含有している。吸水性フィラー４０は、非導電性の多孔性無機水和物である気孔率３５％の球状シリカゲルである。電着金属層３０は、ニッケルメッキによって形成されている。また、吸水性フィラー４０の外径は、砥粒２０の平均粒子径以下である。なお、前記平均粒子径は、株式会社堀場製作所のレーザ回析／散乱式粒度分布測定装置（ＬＡ−９２０）を用いて測定した値であり、以下に示す平均粒子径についても、同様である。
【００３２】
吸水性フィラー４０は真球形状であり、電着金属層３０の厚みが１００μｍ以下であってその一部が電着金属層３０から露出した状態にあり、電着金属層３０中に含有された吸水性フィラー４０の割合は５ｖｏｌ％〜３０ｖｏｌ％の範囲内で変更可能であるが、ワイヤー工具１００においては１０ｖｏｌ％としている。また、砥粒２０及び吸水性フィラー４０は単層である。
【００３３】
このような構成とすれば、後述する図５に示すように、ワイヤー工具１００を用いてワーク６５（サファイアインゴット）を切断加工しているとき、切断加工中のワイヤー工具１００の砥粒層５０上に常に冷却水（クーラント）が存在する状態が保たれ、クーラント不足による過熱が発生しなくなるので、過熱に起因する砥粒２０の摩擦摩耗が低減され、切れ味が良好に維持され、工具寿命も長くなる。また、吸水性フィラー４０が存在することにより、電気メッキによって形成される電着金属層３０の量を低減することもできる。
【００３４】
また、吸水性フィラー４０が非導電性の多孔性無機水和物である球状シリカゲルであるため、吸水性に優れ、表面積の広い球状シリカゲルが多量の水分子を吸着することができ、冷却性を高めることができる。また、球状シリカゲルが非導電性であることにより、電気メッキにより電着金属層３０を形成する工程において、吸水性フィラー４０上に電着金属（ニッケル）がメッキされることなく、図１に示すように、吸水性フィラー４０が電着金属層３０の表面３０ａから露出した状態に保たれるので、完成したワイヤー工具１００は、ツルーイングなどの後処理を施すことなく、吸水機能を発揮し、優れた冷却性を得ることができる。
【００３５】
なお、吸水性フィラー４０を構成する多孔性無機水和物としては、前述した球状シリカゲルのほかに、アロフェン、アルミノシリケート、水酸化カルシウム若しくは水和物ゼオライトなどを使用することもできる。
【００３６】
一方、電着金属層３０はニッケルで形成されているため、砥粒２０を強固に保持することができ、優れた切れ味を維持し、工具寿命の向上にも有効である。電着金属層３０は、ニッケルのほかに、銅、亜鉛、リンのうちの少なくとも一つを含むもので形成することができる。
【００３７】
また、吸水性フィラー４０の外径（平均粒子径２０μｍ）は、砥粒２０の平均粒子径３５μｍ以下であるため、図５に示すように、ワーク６５（サファイアインゴット）を研削する場合、砥粒２０の平均粒子径（３５μｍ）以下の外径（２０μｍ）である吸水性フィラー４０は、ワーク６５に接触しないので、吸水性フィラー４０に起因する研削抵抗が発生せず、切れ味が良好である。
【００３８】
さらに、吸水性フィラー４０が真球形状であることにより、表面面積が最も狭くなるので、研削抵抗になり難く、切れ味の向上に有効である。電着金属層３０の厚みが１４μｍ（１００μｍ以下）であって、電着金属層３０中に含有されている吸水性フィラー４０の割合が１０ｖｏｌ％であることにより、優れた過熱防止機能（冷却機構）及び良好な切れ味を得ることができる。なお、電着金属層３０の厚みを１４μｍとしたことにより、芯線１の周面に形成された電着金属層３０は柔軟性が良好であるため、捻回力が与えられたときの芯線１からの電着金属層３０の剥離が発生せず、砥粒２０の保持力が高い。
【００３９】
ここで、図２，図４に基づいて、本実施形態のワイヤー工具１００の製造方法について説明する。図２に示すように、芯線１であるピアノ線（線径φ１８０μｍ）を、線速３０ｍ／ｍｉｎにて連続的に供給し、脱脂槽２、酸洗浄槽３にて、順次、芯線１の外周を洗浄し、芯線１の外周の汚れや油脂などを除去する。酸洗浄槽３を出た芯線１は溶液塗布槽４に送られ、ここで、芯線１の外周に溶液（図示せず）が塗布され、溶液塗布槽４の後に配置されたダイス５において余分な溶液が除去される。なお、前記溶液は、ペンタエリスリトールトリアクリレート樹脂１質量％をアルコールに溶解したものを用いたが、これに限定するものではない。
【００４０】
この後、ダイヤ吹付槽６において、吹き付け法により、ダイヤモンド砥粒２０（平均粒子径３５μｍ）及び吸水性フィラー（球状シリカゲル）４０が仮固着され、図４（ａ）に示すような状態となる。ダイヤ吹付槽６においては、ダイヤモンド砥粒２０中に吸水性フィラー（球状シリカゲル）４０（平均粒子径２０μｍ）が添加された状態で吹き付けられるので、ダイヤモンド砥粒２０及び吸水性フィラー（球状シリカゲル）４０を同時に吹き付け、仮固着することができる。ここで、ダイヤモンド砥粒２０の表面は導電性物質で被覆されているが、吸水性フィラー（球状シリカゲル）４０は非導電性である。
【００４１】
この後、メッキ槽７において、電流密度５０．７Ａ／ｄｍ2にて、ニッケルメッキを施した後、脱脂槽８及び洗浄槽９を通過させると、図４（ｂ）に示すように、ダイヤモンド砥粒２０及び吸水性フィラー（球状シリカゲル）４０が電着金属層３０で固着された状態のワイヤー工具１００が形成される。
【００４２】
また、比較例として、吸水性フィラー４０として、球状シリカゲル（気孔率３５％）４０の代わりに球状シリカ（気孔率０．１％）を使用し、図２に示す工程と同様の工程を経て、ワイヤー工具２００を製作し、後述する試験に供した。なお、本実施形態の説明中に記載している気孔率は「株式会社島津製作所」の自動ポロシメータ「オートポアIV９５００シリーズ」を用いて測定したものである。
【００４３】
ここで、図３に基づいて、従来のワイヤー工具１３の製造方法について説明する。図３に示すように、芯線１であるピアノ線（線径φ１８０μｍ）を、線速３０ｍ／ｍｉｎにて連続的に供給し、脱脂槽２、酸洗浄槽３にて、順次、芯線１の外周を洗浄し、芯線１の外周の汚れや油脂などを除去した後、下地メッキ槽１１にて下地メッキを行った後、電気泳動槽１２において、ダイヤモンド砥粒（粒度３０／４０）が電気泳動法によって仮固着される。この後、メッキ槽７においてニッケルメッキ（電流密度５０．７Ａ／ｄｍ2）を行うことによってダイヤモンド砥粒を固着した後、脱脂槽８及び洗浄槽９を通過するとワイヤー工具１３が完成する。
【００４４】
次に、図２に示す工程を経て製造されたワイヤー工具１００，２００、及び、図３に示す工程を経て製造された従来のワイヤー工具１３について、図５に示すワイヤソー６０を用いてワーク６５（φ２ｉｎｃｈのサファイアインゴット）の切断加工を行い、冷却性の評価を行った。
【００４５】
ワイヤソー６０はＤＷＴ社（ダイヤモンドワイヤーテクノロジー社）の自動式ダイヤモンドワイヤーソー（ＣＳ−４００型）であり、これにワイヤー工具１００，２００，１３をそれぞれセットして、ワーク６５（φ２ｉｎｃｈのサファイアインゴット）の切断加工を行った。
【００４６】
図５に示すように、ワイヤソー６０において、複数のプーリ６４ａ，６４ｂの間隔は３００ｍｍであり、切断加工中は、供給ガイド６２からそれぞれプーリ６４ａ，６４ｂに対して、直接、クーラント６６（ノリタケクール）が各０．４Ｌ／ｍｉｎで供給される。ワイヤー工具１００，２００，１３の線速は３５０ｍ／ｍｉｎであり、ワイヤーテンションは１３Ｎである。
【００４７】
図５に示すように、ワーク６５の切断加工を行い、切断後、速やかにクーラント６６の供給を止め、ワーク６５内部の切断領域６３（ワイヤー工具１００，２００，１３がワーク６５に当接している領域）付近の温度を、切断加工開始後から１０分、２０分、３０分、４０分及び５０分経過する度に測定したところ、表１に示すような結果が得られた。なお、切断領域６３付近の温度測定は、エー・アンド・デイ社のレーザーマーカー付き赤外線放射温度計（ＡＤ−５６１１Ａ）を用いて行った。１０分ごとに温度を測定することにより、切断作業中のワイヤー工具１００，２００，１３に伴うクーラント持ち込みによる冷却性を評価した。
【００４８】
（表１）ワイヤー工具の冷却性の評価結果
2015145042.tif 000003
【００４９】
表１を見ると、ワイヤー工具１００を用いてワーク６５を切断した場合、切断領域６３の温度は、１０分経過した時点で２２．３℃であり、４０分経過後は最大２５．１℃まで上昇しているが、５０分経過後は２４．８℃まで低下しているので、概ね、２０．３〜２５．１℃の範囲内に保たれているのが分かる。
【００５０】
また、ワイヤー工具２００を用いてワーク６５を切断した場合、切断領域６３の温度は、１０分経過した時点で２１．３℃であるが、２０分経過後に３１．９℃まで上昇し、４０分経過後は最大３５．２℃まで上昇しているが、５０分経過後は３４．７℃まで低下しているので、概ね、２１．０〜３５．２℃の範囲内に保たれているのが分かる。
【００５１】
一方、ワイヤー工具１３を用いてワーク６５を切断した場合、切断領域６３の温度は、１０分経過した時点で２０．２℃であるが、２０分経過後は３０.９℃まで急上昇し、５０分経過後は最大３５．１℃まで上昇しているので、切断作業中は、３０．９℃を超えているのが分かる。
【００５２】
以上のことより、図１に示すワイヤー工具１００を形成する電着金属層３０中には多数の吸水性フィラー４０が存在するので、切断作業中、クーラント６６がワイヤー工具１００に伴ってワーク６５内に絶え間なく供給される結果、ワーク６５の発熱が抑制され、砥粒２０の摩擦摩耗が抑制されるので、優れた切れ味を発揮し、工具寿命も向上する。
【００５３】
なお、図１〜図６に基づいて説明したワイヤー工具１０，１００及びその製造方法などの実施形態は本発明を例示するものであり、本発明のワイヤー工具及びワイヤー工具製造法は前述した実施形態に限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明のワイヤー工具は、太陽電池用シリコン、半導体用シリコン、磁性体、サファイア、ＳｉＣなどのインゴットをスライス加工する各種産業分野において広く利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１  芯線
１ａ  外周
２，８  脱脂槽
３  酸洗浄槽
４  溶液塗布槽
５  ダイス
６  ダイヤ吹付槽
７  メッキ槽
９  洗浄槽
１１  下地メッキ槽
１２  電気泳動槽
１３，１００，２００  ワイヤー工具
２０  砥粒
３０  電着金属層
３０ａ  表面
４０  吸水性フィラー
５０  砥粒層
６０  ワイヤソー
６２ａ，６２ｂ  供給ガイド
６３  切断領域
６４ａ，６４ｂ  プーリ
６５  ワーク
６６  クーラント
【図１】
2015145042.tif 000004
【図２】
2015145042.tif 000005
【図３】
2015145042.tif 000006
【図４】
2015145042.tif 000007
【図５】
2015145042.tif 000008