(57)【要約】      （修正有）【課題】脆性の高い半導体のインゴットや光学レンズ材料のインゴットなどの少量切断を行うのに適したワイヤーソーであり、その価格やランニングコストの低減、性能の安定化、利用規制の緩和などを図ることができるワイヤソーを提供する。【解決手段】２個のプーリ２−１，２−２と、両プーリを同調させて一定回転角で正逆回転させる駆動機構３と、両プーリ間に掛け渡すワイヤー１と、送り機構５を有するワークテーブル４とでワイヤーソーを構成し、プーリ２−１，２−２の正逆回転により各プーリの外周に対するワイヤーの巻きつけ、巻き戻しが繰り返されてワイヤー１が長さ方向に往復運動し、そのワイヤーでワークテーブル４に支持されたワークを擦って研磨切断を行うようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列配置の２個のプーリ（２−１，２−２）と、両プーリ（２−１，２−２）を同調させて一定回転角で正逆回転させる駆動機構（３）と、一端を一方のプーリ（２−１）に、他端を他方のプーリ（２−２）にそれぞれ固定して各プーリ間に張力を加えて掛け渡すワイヤー（１）と、送り機構（５）を有するワークテーブル（４）とを有し、前記プーリ（２−１，２−２）の正逆回転により各プーリ（２−１，２−２）の外周に対するワイヤー（１）の巻きつけ、巻き戻しが繰り返され、その巻きつけ、巻き戻しが、一方のプーリにワイヤーが巻きつけられるときに他方のプーリのワイヤーが巻き戻され、一方のプーリのワイヤーが巻き戻されるときに他方のプーリにワイヤーが巻きつけられるように行われてワイヤー（１）が長さ方向に往復運動し、その往復運動するワイヤー（１）でワークテーブル（４）に支持されたワーク（Ｗ）を擦って切断するようにしたワイヤーソー。
【請求項２】
各プーリ（２−１，２−２）を平行配置の回転軸（１１−１，１１−２）に取り付け、前記駆動機構（３）に、各回転軸（１１−１，１１−２）にそれぞれ取り付けるタイミングベルト車（３ｅ，３ｅ）と、両タイミングベルト車間に掛け渡すタイミングベルト（３ｆ）からなる同調機構（３ｃ）を含ませて２個のプーリ（２−１，２−２）の回転を同調させるようにした請求項１に記載のワイヤーソー。
【請求項３】
前記ワイヤー（１）を、表面にダイヤモンドの砥粒を付着させたダイヤモンドワイヤーで構成した請求項１又は２に記載のワイヤーソー。
【請求項４】
前記送り機構（５）によるワークテーブル（４）の送りが、間欠的になされるようにした請求項１〜３のいずれかに記載のワイヤーソー。
【請求項５】
前記ワイヤー（１）の断線を検知する断線検知機構（６）を付加した請求項１〜４のいずれかに記載のワイヤーソー。
【請求項６】
前記断線検知機構（６）を、一方のプーリ（２−２）の外周と前記ワイヤー（１）との間に挟まれて保持され、前記プーリの正逆回転により検知点を反復して通過するシート片（６ｂ）と、そのシート片（６ｂ）を定位置で検出する光センサ（６ａ）と、前記光センサ（６ａ）によるシート片の検出が一定時間を経過してなされなかったときに断線判定を下す断線判定部（６ｃ）とで構成した請求項５に記載のワイヤーソー。
【請求項７】
ワイヤー（１）によるワーク切断部に加工液を供給する加工液供給装置（７）を付加した請求項１〜６のいずれかに記載のワイヤーソー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体のインゴットや光学レンズ材料のインゴットなど、脆性の高い材料の少量切断を行うのに適した、簡素かつ安価で、ランニングコストも低く抑えられるワイヤーソーに関する。
【背景技術】
【０００２】
切断用のワイヤー（以下、単にワイヤーと言う）を長手方向に往復運動させてワークに擦り付け、研磨によってワークを切断するワイヤーソーには、供給リールに巻き取った長尺のワイヤを往復運動させながら巻き取りリールに向けて徐々に流していくものや、ワイヤーの両端をＣ型枠で支持し、Ｃ型枠をクランク機構で駆動してワークに押し付けたワイヤーを往復運動させるものなどがある。Ｃ型枠を備える後者のワイヤーソーは、往復運動中にワイヤーを回転させることはあるが、ワイヤーに送りをかけることは基本的にはなされない。
【０００３】
なお、前者のワイヤーソーは、下記特許文献１−３などに開示されており、また、後者のワイヤーソーは、下記特許文献４，５などに開示されている。このほかに、下記特許文献６が開示しているものもある。
【特許文献１】特公昭５６−１９８号公報
【特許文献２】特公平４−４０９６号公報
【特許文献３】特公平６−８８２０４号公報
【特許文献４】特公昭５７−２６８９２号公報
【特許文献５】特公昭５８−５４１９８号公報
【特許文献６】実公昭６２−４０７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前掲の特許文献１−３が開示しているワイヤーソーは、ワイヤーの往復運動を、そのワイヤーを数回巻きつけた溝付きローラを正逆回転させて行わしめるが、この構造の装置は、構造の複雑化やコスト増などが避けられない。ワイヤーは３００〜５００ｋｍにも及ぶような極めて長いものが一般的に使用されており、量産品の大量切断には向くが、試作材などを少量切断するときには経済的ロスの多い装置となる。
【０００５】
これに対し、特許文献４，５が開示しているワイヤーソーは、Ｃ型枠に取り付け得る長さのワイヤーがあればよく、また、前者のワイヤーソーに比べれば構造も単純であり、少量切断に適している。しかしながら、この方式のワイヤーソーは、ワークをＣ型枠の開口の内側に入り込ませるので、ワークサイズが大きいとＣ型枠も大きくなり、そのＣ型枠の全体を往復運動させるためにエネルギー消費が大きく、ランニングコストが高くつく欠点がある。
また、スライドガイド部の経時摩耗などによってＣ型枠が運動中にがたつくことが考えられ、そのような状況になるとワイヤーの位置が振れて切断の安定性が損なわれる。
【０００６】
一方、特許文献６が開示しているワイヤーソーは、反復運動する揺動アームの片端にワイヤーの一端を連結し、そのワイヤーを滑車にかけてＵ字状にターンさせ、ワイヤーの他端を前記揺動アームの他方の端に連結しており、揺動アームの揺動運動によってワイヤーが往復運動する。このワイヤーソーは、上述したＣ型枠がないためＣ型枠特有の欠点がない。しかしながら、ワークの移動方向にワイヤーが２列に並んで配置された状態になるため、ワークの切断は直線切りしかできない欠点がある。
【０００７】
また、ワイヤーの約半分（折り返した部分）は切断には寄与せず、ワイヤー長さが無駄に長くなって交換ワイヤーの価格が高くなる。
【０００８】
この発明は、上記の問題を解決して脆性材料の少量切断に利用するワイヤーソーの価格やランニングコストの低減、性能の安定化、利用規制の緩和などを図ることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、この発明においては、並列配置の２個のプーリと、両プーリを同調させて一定回転角で正逆回転させる駆動機構と、一端を一方のプーリに、他端を他方のプーリにそれぞれ固定して各プーリ間に張力を加えて掛け渡すワイヤーと、送り機構を有するワークテーブルとでワイヤーソーを構成した。このワイヤーソーは、前記プーリの正逆回転により各プーリの外周に対するワイヤーの巻きつけ、巻き戻しが繰り返され、その巻きつけ、巻き戻しが、一方のプーリにワイヤーが巻きつけられるときに他方のプーリのワイヤーが巻き戻され、一方のプーリのワイヤーが巻き戻されるときに他方のプーリにワイヤーが巻きつけられるように行われてワイヤーが長さ方向に往復運動し、その往復運動するワイヤーでワークテーブルに支持されたワークを擦って切断するものになっている。
【００１０】
このワイヤーソーの好ましい形態を以下に列挙する。
（１）各プーリを平行配置の回転軸に取り付け、前記駆動機構に、各回転軸にそれぞれ取り付けるタイミングベルト車と、両タイミングベルト車間に掛け渡すタイミングベルトとからなる同調機構を含ませて２個のプーリの回転を同調させるようにしたもの。
（２）前記ワイヤーを、表面にダイヤモンドの砥粒を付着させたダイヤモンドワイヤーで
構成したもの。
（３）前記送り機構によるワークテーブルの送りが、間欠的になされるようにしたもの。
（４）前記ワイヤーの断線を検知する断線検知機構を付加したもの。
（５）前記断線検知機構を、一方のプーリの外周と前記ワイヤーとの間に挟まれて保持され、前記プーリの正逆回転により検知点を反復して通過するシート片と、そのシート片を定位置で検出する光センサと、前記光センサによるシート片の検出が一定時間を経過してなされなかったときに断線判定を下す断線判定部とで構成したもの。
（６）ワイヤーによるワーク切断部に加工液を供給する加工液供給装置を付加したもの。
【発明の効果】
【００１１】
この発明のワイヤーソーは、並列配置の２個のプーリと、両プーリを同調回転させる駆動機構を設けて２個のプーリ間にワイヤーを掛け渡し、各プーリの正逆回転によってプーリ間のワイヤーを長さ方向に往復運動させるようにしたところにその特長がある。
【００１２】
２個のプーリを同調しない状態で正逆回転させると、各プーリの回転のタイミングにずれが生じ、そのずれに起因したワイヤーの張力変動が発生してワイヤーの断線などが起こり易くなるが、この発明では２個のプーリを同調させて正逆回転させるので、プーリの回転のタイミングのずれによるワイヤーの張力変動が起こらない。これにより、ワイヤーの保護効果が高まり、ワイヤー寿命も延びる。そのために、ワイヤーの両端を２個のプーリに固定し、各プーリを正逆回転させてワイヤーを長さ方向に往復運動させることが可能になった。
【００１３】
上記のように構成したワイヤーソーは、構造が簡素で安価に作れる。また、２個のプーリに対するワイヤーの巻きつけと巻き戻しを繰り返してワイヤーを往復運動させるので、Ｃ型枠を運動させるものに比べてエネルギー消費が少なく、ランニングコストが低減される。
【００１４】
また、２個のプーリを定位置で回転させてワイヤーを往復運動させるので、Ｃ型枠を運動させるものと違って運動中のワイヤーの位置の振れが起こらず、安定した切断性能が維持される。
【００１５】
さらに、ワイヤーにターン部がないため、ワイヤーの長さが無駄に長くならず、交換ワイヤーが安価になる。また、ターン部がないために直線切り以外の切断も支障なく行える。
【００１６】
なお、２個のプーリの同調回転は、クランク機構経由で動力を伝達する方法でも行えるが、それよりは、タイミングベルト車と、両タイミングベルト車間に掛け渡すタイミングベルトを使用して２個のプーリの回転を同調させるものがバックラッシュが少なくて性能が安定する。
【００１７】
また、この発明のワイヤーソーは、ワークとワイヤーの接触部に砥粒を供給しながらの切断も可能であり、この場合のワイヤーは表面に砥粒の付いていないものでよいが、表面にダイヤモンドの砥粒を付着させたダイヤモンドワイヤーを採用すると、砥粒の供給を行う必要がなく、装置がより簡素かつ安価になる。
【００１８】
ワークテーブルを間欠送りするものは、送りと停止の周期を変化させて切断速度を調整することができる。
【００１９】
また、ワイヤーの断線を検知する断線検知機構を伴わせたものは、ワイヤー断線時に早期に切断警報を出すことができ、また、必要があれば装置を自動停止させることもでき、無駄な運転を防止することができる。その断線検知機構は、ワイヤーとプーリ間に挟むシート片と、そのシート片の存在を検出する光センサと、断線判定部とで構成されるものが断線検知を簡便に行えて好ましい。
【００２０】
さらに、加工液供給装置を付加したものは、湿式切断がなされてワイヤーが冷却され、ワイヤーの発熱による強度低下が抑えられてワイヤー断線が減少する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、この発明のワイヤーソーの実施の形態を、添付図面の図１〜図５に基づいて説明する。図示のワイヤーソーは、定尺長さのワイヤー１と、並列配置の２個のプーリ２−１，２−２と、その２個のプーリ２−１，２−２を一定の回転角で正逆回転させる駆動機構３と、ワークテーブル４と、そのワークテーブルに送りをかける送り機構５と、断線検知機構６および加工液供給装置７を組み合わせて構成されている。８は本体フレーム、９は制御ボックスである。
【００２２】
ここで用いたワイヤー１は、外周にダイヤモンド砥粒を電着させた市販品の、直径が０．３〜０．５ｍｍ程度のダイヤモンドワイヤーであるが、ダイヤモンド砥粒を供給しながら切断を行うワイヤーソーに採用するワイヤーは、ダイヤモンド砥粒の電着層はなくてもよい。このワイヤー１は、長さが１〜２ｍ程度の極く短いものでよい。
【００２３】
プーリ２−１，２−２は、直径φ＝３００〜３５０ｍｍ程度のプーリであり、本体フレーム８上の軸受１０に支持された平行配置の２本の回転軸１１−１，１１−２に取り付けられている。このプーリ２−１，２−２の外周に、ワイヤー１の両端をそれぞれ固定し、張力を加えてワイヤー１をプーリ２−１，２−２間に掛け渡している。
【００２４】
プーリ２−１，２−２に対するワイヤー１の端部の固定は、図４の固定具１２を用いて行っている。例示の固定具１２は、プーリ２−１，２−２の外周にねじ込むボルト１２ａと、そのボルト１２ａで締付ける押さえ板１２ｂと、硬めのゴム板１２ｃとからなる。図４に示すように、プーリ２−１，２−２の外周にワイヤー径よりも幅の狭いＶ溝２ａ（図４参照）を設け、そのＶ溝２ａにワイヤー１の一部を入れ、ワイヤー端の外側に当てたゴム板１２ｃを押さえ板１２ｂで加圧してプーリ２−１，２−２とゴム板１２ｃとの間に生じる摩擦力でワイヤー１を各プーリの外周に固定しており、ワイヤー１の付け替えが簡単に行える。なお、プーリ２−１，２−２の外周のＶ溝２ａは、全周にわたって設けてワイヤー１の巻きつけ、巻き戻しが行われる部分をそのＶ溝２ａに納めるようにしてもよく、外周の必要範囲のみにＶ溝２ａを設けてワイヤー１の固定端側の一部分のみが溝に納まるようにしてもよい。
【００２５】
駆動機構３は、原動機３ａと、その原動機の出力軸の回転を揺動運動に変換して回転軸１１−１に伝達するクランク機構（てこ・クランク機構）３ｂと、プーリ２−２（回転軸１１−２）をプーリ２−１（回転軸１１−１）に同調させて回転させる同調機構３ｃとからなるものを示した。原動機３ａはギヤードモータを用いたが、これに限定されるものではない。
【００２６】
クランク機構３ｂは、原動機３ａの出力軸の回転を揺動運動に変換して回転軸１１−１に伝える。原動機３ａを駆動すると、クランク機構３ｂの揺動アーム３ｄが揺動してその揺動アーム３ｄを固定した回転軸１１−１が一定角度範囲で正逆回転する。
【００２７】
同調機構３ｃは、回転軸１１−１，１１−２にそれぞれ取り付けたタイミングベルト車３ｅ，３ｅと、両タイミングベルト車間に掛け渡したタイミングベルト３ｆとからなるものを設けており、この同調機構３ｃの働きによって回転軸１１−２も回転軸１１−１の動きに同調して正逆回転する。
【００２８】
ワイヤー１は、プーリ２−１に巻きつけられるときにプーリ２−２から巻き戻され、プーリ２−１から巻き戻されるときにプーリ２−２に巻きつけられるようにしており、その動作が繰り返されてワイヤー１が長さ方向に往復運動する。このとき、ワイヤー１は、プーリ２−１，２−２が同調して駆動されるため、両プーリ２−１，２−２の回転のタイミングのずれに起因した張力変動が起こらず、ワイヤー張力は安定している。なお、ワイヤー１の往復運動のストロークは、５０〜１００ｍｍ程度あれば十分であるが、それより大きくても構わない。
【００２９】
ワークテーブル４は、切断対象のワークＷをテーブル上の定位置に固定するクランプ機構（図示せず。既知の機構でよい）を有している。また、テーブル送り方向に延びた長穴４ａを有しており、この長穴４ａにワイヤー１がワークテーブルとの干渉が起こらないように通されている。
【００３０】
送り機構５は、スライドガイド５ａとワークテーブル４を移動させる駆動源５ｂとを有しており、ワークテーブル４に送りをかける。駆動源５ｂは間欠駆動されてワークテーブル４を少しずつ間欠送りする。この間欠送りでの１回当たりの送り量と間欠送りの周期は、ワイヤー１に過度の張力が加わらない範囲に設定される。
【００３１】
断線検知機構６は、図５に示すもの、すなわち、光センサ６ａと、プーリ２−２の外周とワイヤー１との間に挟まれて保持されるシート片６ｂと、断線判定部（断線判定回路）６ｃとで構成されるものを設けている。シート片６ｂは、白い紙などでよい。短冊状の紙片などをＶ字状に折り曲げてプーリ２−２の外周とワイヤー１との間に挟みこんでいる。ワイヤー１の固定端近くに、プーリ２−２が逆転するときにも巻き戻しがなされずに巻きつけ状態が維持される部分を設けてその部分にシート片６ｂを挟んでいる。
【００３２】
光センサ６ａは、投光部からの投射光をシート片６ｂで反射させ、反射光を受光部で受けてシート片６ｂの存在を検知するものと、投光部からの投射光をシート片６ｂで遮断し、受光部の受光が止ることでシート片６ｂの存在を検知するものが考えられ、そのどちらを設けてもよい。
【００３３】
プーリ２−２とワイヤー１との間に挟まれて保持されたシート片６ｂは、ワイヤー１が断線していなければ保持状態が維持されるため、プーリの正逆回転に伴って検知点を反復して通過し、その通過が定位置に配置された光センサ６ａによって周期的に検出される。一方、ワイヤー１が断線すると、シート片６ｂは保持状態が解かれて飛散し、光センサ６ａによるシート片６ｂの検出がなされなくなる。従って、光センサ６ａによるシート片６ｂの検出が一定時間を経過してなされなければワイヤー１が断線したと考えてよく、制御ボックス９内に設けた断線判定部６ｃで断線から早期（数秒以内）に断線判定を下して警報を出すことができる。
【００３４】
また、必要があれば、ワイヤーソーの運転を自動停止させることもでき、無駄な運転をなくしてエネルギーの浪費を抑制することができる。
【００３５】
なお、シート片６ｂは身近にある紙片などでよく、図示の断線検知機構６はその紙片などを２つに折り曲げてワイヤーとプーリ間に挟むだけであるので、断線後の機能再生が容易である。
【００３６】
加工液供給装置７は、ワイヤー１によるワークＷの切断部に加工液を噴射、或いは滴下させて供給する。ダイヤモンドワイヤーを使用するときの加工液は水でよい。供給後の加工液は、切断部の下方に配置したトレー７ａに回収してポンプ（図示せず）で再循環させると無駄なく使用できる。この加工液供給装置７は、砥粒を含んだ加工液を供給することもでき、そのときのワイヤー１は、砥粒を含んだ表面の電着膜はなくてもよい。
【００３７】
例示のワイヤーソーは、駆動機構３によるワイヤー１の往復運動の速度と送り機構５による間欠送りの周期を制御して切断速度を調整することができる。このワイヤーソーは、脆性の高い半導体のインゴットや光学レンズ材料のインゴットなどの切断に利用することができる。試作機で試験的に光学レンズ材料であるフッ化カルシウム（ＣａＦ２）のインゴットを切断したところ、ワイヤー切断などのトラブルを生じさせずに円滑に切断を行うことができた。ワークの切断面の性状も良好で、欠けや切り口の蛇行などは全く見られなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施形態のワイヤーソーの主な要素を示す斜視図
【図２】図１のワイヤーソーの側面図
【図３】図１のワイヤーソーの正面図
【図４】プーリに対するワイヤー固定部の拡大断面図
【図５】断線検知機構の概要を示す斜視図
【符号の説明】
【００３９】
１            ワイヤー
２−１，２−２   プーリ
２ａ          Ｖ溝
３            駆動機構
３ａ          原動機
３ｂ          クランク機構
３ｃ          同調機構
３ｄ          揺動アーム
３ｅ          タイミングベルト車
３ｆ          タイミングベルト
４            ワークテーブル
４ａ          長穴
５            送り機構
５ａ          スライドガイド
５ｂ          駆動源
６            断線検知機構
６ａ          光センサ
６ｂ          シート片
６ｃ          断線判定部
７            加工液供給装置
８            本体フレーム
９            制御ボックス
１０          軸受
１１−１，１１−２ 回転軸
１２          固定具
１２ａ        ボルト
１２ｂ        押さえ板
１２ｃ        ゴム板
Ｗ            ワーク
【図１】
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【図２】
2008068332.tif 000004
【図３】
2008068332.tif 000005
【図４】
2008068332.tif 000006
【図５】
2008068332.tif 000007