JPH02500577A - 硬質棒材の切断方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 硬質棒材の切断方法及びその装置 本発明は硬質棒材、特にシリコン捧から一定の厚さの平板を切断する方法及びこ の方法を実施するための装置に関するものである。

硬質材料、特にシリコン棒の切取り又は切断のための最もよく知られている方法 は、鋸断装置に付着させる切削粉、又は油性もしくは水性の溶液に懸濁させて鋸 断装置によって運ばれる切削粉を使用する。

切断操作は適当な切削剤粒子で覆われたワイヤ、又は切削溶液を担う役目もする ワイヤを用いて行うことも可能であり、これらのワイヤには鋸断に匹敵する切断 運動をするように、被切断棒材に対して周期的な往復運動が一般的に与えられる 。

このようなワイヤを駆動する機械のすべてが、専門家の間では「ワイヤ・マシン 」とか「ワイヤによる切断機」という名称で知られている。以下の明細書ではこ れらの用語のうちの１つによってこのアセンブリを記述することにする。

現行の方法は、使用する機械がどのような型式であっても、棒材を平行なストラ ンド層に押しつけることによって棒材を切断すると同時に複数枚の平板にする。

このストランドの間隔は平板にめられる板厚に等しい。この層は、送り巻枠から 供給されるワイヤをほぼ平行な複数本のローラの溝又は筋の中に通した後、この ワイヤを巻取り巻枠に回収することによって、通常形成される。切断箇所に絶え ず新しいワイヤが行くように、ワイヤは送り巻枠と巻取り巻枠の間を絶え間なく 移動して供給される。そして往復運動がワイヤに与えられる場合には、この往復 運動は、ガイドローラの少なくとも１本を制御してこのローラの回転を決った間 隔で逆転させ、送り巻枠と巻取り巻枠の役割も入替えることにより、行われる。

この回転は設定されたプログラムに従って逆転し、これによる回転変位が常に同 一方向の回転変位になるように、この回転は決った間隔で行われる。

ワイヤは少なくとも１本のローラの回転変位によって生じる一定の機械的張力を 受ける。この一定の機械的張力はポテンシオメータで調整可能なトルクモータに より駆動される中間キャプスタンに少なくともワイヤ２筋を巻きつけることによ って得られる。ワイヤは巻取り巻枠及び送り巻枠の巻戻しと巻取りによって移動 する。最も通常のシステムは、巻枠のハブの幅にわたってワイヤを整列させるガ イドを使用する。

大部分のワイヤ・マシンでは、使用するローラの本数が何本であっても、切断用 ワイヤからなるストランド層に対する棒材の相対的な運動は、棒材の重量作用か ら棒材がストランド層に及ぼす圧力を得るように、一般的に鉛直の下向きの動き である。鋸断装置が固定されていれば、従って棒材は下向きの鉛直方向に移動す る。少なくとも２本のローラの周りにワイヤを巻きつけることによって、現実に ストランド２層ができるのは明白であって、その結果、棒材は常に上側ストラン ド層により切断される。

この方法は特にフランス国特許第２，３３０，５１０号の明細書に記述されたワ イヤ・マシンに利用されているが、多くの不具合がある。

事実、棒材がワイヤ層の上に下降するとき、また切断操作中にワイヤは種々の機 械的な応力を受ける。このためワイヤ層は、棒材の重量作用及びその下降運動か ら生じる下向きの鉛直方向の圧力を受ける。棒材の下降運動自体は、棒材に対し てワイヤ層の反作用を生じさせる。この反作用はワイヤの張力に起因する。更に 、棒材は特にワイヤの移動によって発生する横方向の応力をも受ける。しかし現 用機械の設計ではこうした種々の応力を制御することは難しく、このことから機 械の自動化は実際に不可能である。

更に加えて、切断操作自体に関して、その推移を連続した安全な方法で観察する ことは、ワイヤ層のストランドによって棒材に切られた溝がその棒材やその鉛直 移動装置で部分的に隠れるため、殆ど不可能である。

溶液に懸濁させた切削剤を使用するワイヤ・マシンの場合、ワイヤ層の有効領域 にわたってこの溶液が適切に分配しているか否かは、実際に棒材の存在がこの層 を被覆する切削剤溶液の薄膜の移送に対して障害となっているため、はっきり判 らないままである。またこれと同じ理由から、この切削剤溶液は棒材に切られた 溝の中に少量しか入らない。その上、切削剤は棒材の底部だけ接触し、その作用 は極めて短時間であって、しかも下側のワイヤ層の下に設けられた回収槽の中に 自重で直ちに落下する。

特に上記の不具合を取り除くために、棒材の鉛直移動方向を逆にした数種の機械 が知られている。例えば、これはフランス国特許第２，２５４，９４８号及び第 ２．２５４，９４９号の明細書に示される。

実際、この機械では被切断棒材は切断装置の内部に置かれ、その支持台の上昇運 動によって上側のワイヤ層に押しつけられる。

このような方法は、棒材及びその支持台が中に入れるように切断装置の内部に広 いスペースを必要とする。その結果、これを実施するためには大きな直径のロー ラの使用、又はワイヤ層を巡回させるために少なくとも３本のローラの使用のい ずれか一方又は双方が前提となり、これによって上層ストランドを平行な位置に 保つことが難しくなる。

使用する機械がどのような型式であっても、切断により除去される物質は切削剤 と冷却液、又は切削液とスラッジを形成し、下側のワイヤ層に落下し、ローラの 溝内へのワイヤの通過に支障となるばかりか、ワイヤの摩耗の一因にもなる。

本発明はこれらの不具合を除去することを目的とする。

事実、本発明はシリコン棒から一定の厚さの平板を切断する方法に関する。その 切断は、可動金属ワイヤからなる切断要素を本質的に含む手段によって行われる 。この可動金属ワイヤは、少なくとも２本のローラの周りに巻かれて平行なスト ランドの少なくとも２つの重なり合った層を形成し、場合によって送り巻枠と巻 取り巻枠の間で往復運動を受ける。棒材は支持台に支持され、下側の層より下の 切断要素の外側に置かれる。そして棒材は層に対する支持台の連続的な上昇する 相対並進運動によって切断される。

１つの方法によればワイヤと協動する切削溶液又は切削懸濁液が切断操作中に分 配され、棒材はこの溶液に部分的に或いは全体的に浸漬される。特に、供給量や 位置を調整できる目盛付きノズルを、例えば被切断棒材の両側に配置して、使用 してもよい。この結果、切削溶液はその圧力が調整可能であって、特に蓄圧器に よって一定圧に保たれるので、最適量で分配され、かつ更新される。

こうした切断方法は多くの長所がある。事実、使用するワイヤ・マシンがどのよ うな型式であって”も、ワイヤ層によって切られた溝を十分に視認できるため、 切断操作の推移を観察することができる。支持台に載せた例えば圧電型の鋭敏な 検出器を棒材に直接かつ容易に接触して置くことができるので、棒材に加わる機 械的応力を観察することも容易になる。

これらの条件では本発明による方法は、検出器が検出する応力に基づいたどんな 補正でも切断要素の制御装置に対して自動的に行うことができるので、切断要素 を制御下におくことができる。

本発明による方法は、上側のワイヤ層の上に配置した棒材の切断操作を行うよう にした現行の方法と完全に両立できる。

両立させた場合には、時間短縮がはかられ、かつ切削剤又はワイヤを節約できる ため、切断した平板のコストに確かな影響を及ぼす。

また本発明による方法は、油性又は水性の溶液に懸濁させた切削剤を用いるワイ ヤ・マシンに適用する場合に、大きな利点がある。実際に、この方法によって溶 液をワイヤ層の有効領域と、同時に鋸断過程にある棒材部分とに直接落とせるよ うになる。このため溶液はより適切な方法で自動的に分配される。

更に加えて、切断によって発生する切削スラッジは重力により直ちに除去され、 これによりワイヤの摩耗もローラの摩耗も引起こさない。

実施法の第一の形態によれば、下側のワイヤ層に対して棒材を押しつける時及び その切断操作中に、棒材とその支持台が描く連続的な上昇する並進運動は、下側 のワイヤ層の平面に垂直な並進直線運動にすると、有利である。

この方法の形態は最も容易に実施できる。例えば支持台は切断装置のフレームに 固定した垂直なラック装置に堅固に取付けることができ、或いは支持台は、切断 部分の面積に応じてその速度が調整され、高い減速比を有する電動モータにより 制御されるスクリュー・ナツト式の装置に堅固に取付けることができる。

実施法の第二の形態によれば、下側のワイヤ層に対して棒材を押しつける時及び その切断操作中に、棒材とその支持台が描く連続的な上昇する並進運動は、並進 曲線運動にし、好ましくは円運動又は振動運動にするとよい。

この場合、ワイヤ層による棒材に対する衝撃はより緩和され、切られた溝の縁か ら発生するひび割れや剥げ落ちの危険が減少し、切削剤がより良く分配される。

現用機械の不具合の１つは棒材の不安定性に関連する。とりわけ、多くの場合棒 材の重心より後方に位置するラック式又はスクリュー・ナツト式の装置によって 棒材の支持台を並進することがこれを顕著にする。ある切断事例では、こうした 配置は曲がったタイプの違った反応や逆反応の変化を引起こし、結果として被切 断材料に条痕やふくれを生じさせる。

ある有利な変形法では、被切断棒材又は埋材の移動中心線に棒材の押し出しを正 確に合わせるようにして、棒材の押しつけ力を生じさせている。この中心線に取 付けたラック式又はスクリュー・ナツト式の装置は例えばシリンダガイド装置と 組合される。

このような配置により、条痕のない、非常に薄いかき乱した層を有する殆ど完全 な表面状態が得られ、また平板のふくれを軽減でき、低速で力をより良く調整で きる。これはより優れた表面状態に対するニーズに応え、マイクロエレクトロニ クスの分野へ応用できる。例えばシリコンやその化合物（ｍ）、（Ｖ）の加工が 可能となる。砥上げを行う必要はなく、直接研磨することができる。

周知のように研磨は平滑性を損なう。ところがこの配置では、研磨パラメータを 最適にしなくても直径２００ｍｍまで８ミクロン以下の板厚が得られる。

本発明によれば、切断面に対して僅かな異方性を必要とする材料を切断すること ができる。例えばＧＡＡＳ、ＩＮＰ。

ＧＧＧ、方位性シリコン（ｍ）がこれに該当する。

この異方性は２つの平面、これは多くの場合直交するが、において起こり得る。

そしてこのアセンブリによって機械外部でＸ線或いは使用材料の腐食像を用いて 切断部分及びその支持台の位置決めを行うことができる。その後このアセンブリ は機械上で再位置決めされ、切削剤及びワイヤの新たな行程を考慮に入れた方法 に従い、切断のための準備ができる。

本発明は部品を切断する個数に関する機械面の制約を解決することができる。事 実、普通は３００ｍｍまでの長さしか所定の板厚に切断できないが、例えば電子 工業やセラミックスは当初からずっと大きな長さを使用している。

本発明ではワイヤ・ガイドにかかるワイヤの応力を巧妙に補償するかぎりは、よ り長い棒材の切断が可能である。これを行うために、ワイヤ・ガイド・アセンブ リが機械の補強材上に配置される。この結果、機械の各側が開放され、長さが４ ００ｍｍまで、更には８００ｍｍまでの棒材を通すことができる。ローラにかか る応力はフレーム自体によって補償され、受は止められる。この場合、フレーム の両壁は当初の機械の不安定性の問題を避けるために、ワイヤ・ガイド軸の支持 台の役目をする。棒材は側方ヘスライドして一度に５００枚或いは８００枚の平 板の切断が終わると、切断済み部分は被切断棒材を追加して切断することにより 排出される。その供給は連続的に行われる。

また本発明は切断方法を実施するための装置にも関する。

この装置は、フレーム上に、一方では、少なくとも２本のローラの周りに巻かれ て平行なストランドの少なくとも２つの重なり合った層を形成し、場合によって 送り巻枠と巻取り巻枠の間で往復運動を受ける可動金属ワイヤからなる切断装置 を含み、他方では、被切断棒材をその移動中、強固に保持するための支持台を含 む。この支持台は切断装置の外側に配置され、かつ下側の層より下に置かれる。

そしてこの支持台は、下側のワイヤ層を突抜けて上昇する並進運動を棒材に強制 する支持台移動に必要な手段を含んでいる。

このような装置では、ワイヤ層による棒材の加工がその上部、すなわち視認可能 な部分で行われるので、棒材の切断を容易に制御することができる。

更に、棒材が受ける可能性のある応力を全て検出し、収集したデータを切断装置 及び支持台の制御機構に伝送して、自動的にこれに対処するために、応力ビック アップすなわち検出器を支持台上に固定して棒材に押しつける。

支持台、すなわち棒材の並進運動が下側の、すなわち有効なワイヤ層に垂直な直 線運動であれば、支持台は装置のフレームに垂直に配置したラック式の装置もし くはスクリュー・ナツト式の装置に堅固に固着されることが望ましい。

支持台の並進運動が曲線運動、好ましくは円運動であれば、支持台は切断装置に 対して中心をずらしたピボットの周りを回転する２つのアームを備えた揺動体に より構成される装置に堅固に固着され、かつ支持台は一方のアームの端部に配置 され、他方のアームが揺動体の観察手段及び移動手段に堅固に固着されることが 望ましい。

本発明の１つの変形法では、ワイヤが移動しなくてもよいように、特に切断用ロ ーラと巻枠の間に角度が出ないように巻枠を交互に移動させる。なお単純な切断 の場合にはワイヤには巻き揃え不良の恐れの多い曲がりが生じる。

本発明の別の変形法では、斜め部の付いたキャプスタンと、垂直面から外れたア イドルローラへの転送を使う。これによってワイヤが絡まらず、また捩れなくな り、その摩耗が大幅に軽減されその張力を有効に管理することができる。

板厚はワイヤ・ガイドのピッチにより定まる。従ってピッチの許容範囲は最重要 であり、例えば非硬質材料では１のオーダの許容節、囲が得られる。実際、加工 精度は金属材料において優れているが、ワイヤ及び切削剤による摩耗が生じる。

本発明は、例えば特別処理済みショアＡ硬度９０ないし９６のポリウレタン型の 特殊材料を使用して摩耗を減少させる。

切断の効率は切削溶液の移送と被切断材料に左右されることが判っている。１つ の変形法によれば、切断に応じて移動可能なノズルを用い、例えばリターンスプ リング又は別の可動な機械系によって、被切断部分の輪郭を観察でき、かつ溶液 の分配を行うこともできる。このノズルの形態によって、液路を広げる不都合も なく切削剤を常時棒材とワイヤに接触させることできる。

この切削剤の分配は被切断材料にも左右されるが、本発明によれば、切削剤の分 配を切換えるためにワイヤ・ガイド・アセンブリを９０’回転させることもでき る。例えばシリコンよりも硬質な材料（例えば、ＧＧＧ）がこのような事例であ り、この場合切削剤がワイヤに伝わるので、より一層協動作用が高められる。

切断操作とこれに対応する装置のリアルタイムの、或いはシミュレーシヨンのプ ログラムを組むことができる計算手段を設けると有利である。またワイヤの走行 速度や、切削剤の必要量の分配を管理するパラメータや、或いはワイヤ層に対す る棒材の圧力を、被切断面積や、材料の硬度や、応力ゲージに示される切断のた めに生じる力の変動や、更にはモータトルクの出力レベル等のデータに応じて変 化させることも可能である。

添付図面は非限定的な例として示され、明細書をこれに関連づければより良く理 解できるであろう。図において、第１図は支持台及び棒材にほぼ円形の上昇運動 が与えられる場合に対応する本発明の方法を実施するための装置の概略図である 。

第２図は棒材をその全長にわたって切断可能にするアセンブリの側面図である。

第３図は第２図のＦ方向における断面図である。

図面のある要素を明確にするために図面における諸寸法は比例させていない点に 注意すべきである。

本発明によれば、機械は本質的に被切断棒材１の切断装置とこの棒材の昇降及び 案内用アセンブリからなる。この切断装置と昇降及び案内用アセンブリは図示し ない同一のフレームに取付けられる。

図面をより良く理解できるように、種々の回転要素を駆動するモータ類は示され ていないが、言うまでもなくこれらの要素のそれぞれには、その機能に応じて選 定された出力のモータが結合される。

切断装置は金属ワイヤ２を含む。このワイヤは、送り巻枠３から繰出され、最終 的に巻取り巻枠８に達する前に、平行なストランドからなる２つの層６及び７を 作り出すために一定の巻数で２本のローラ４及び５の周りに巻かれる。所定の時 間に定期的に、送り巻枠３が巻取り巻枠となり、巻取り巻枠８が送り巻枠となる ように、制御手段が設けられる。

巻枠３及び８への、またローラ４及び５０周りのワイヤ２０巻きっけを容易にす るために、ワイヤは２つのアイドル・プーリ９及び１０を通る。

層６及び７０２つの平行なストランド間の距離は棒材から切出される平板にめら れる板厚に等しい。

ローラ４及び５は、例えば同一の水平面内で２本の平行な軸１１及び１２に取付 けられる。金属ワイヤ２の張力を変えるために、この同一の水平面内でローラを 互いに移動させて、それらのローラの中心間距離を変えてもよい。これを行うた めに軸１１及び１２に２枚の支持具１３及び１４が回転自由に取付けられる。こ れらの支持具はフレームに固定したラック１５に噛み合う歯付き区域１３ａ及び １４ａを含み、歯付き区域１３ａ及び１４ａのガイドの役目をする。これらの歯 付き区域の並進運動は直径方向に対立する２つの方向に行わねばならない。この 点が、例えば適切なモータにより駆動さレル逆ピッチの２つのウオームを含むよ うな制御装置に支持具１３及び１４を固着すると有利な理由である。

使用する機械の型式により、金属ワイヤ２には普通のワイヤか、ダイヤモンド粒 子で被覆されたワイヤか、或いは例えば銅と亜鉛のような合金で被覆されたワイ ヤのいずれかが選定される。この場合、ローラの領域でワイヤ層７に切削溶液を 分配する手段を設ける必要がある。

棒材１を支持する昇降及び案内用アセンブリは、例えば盆状の支持台１６からな り、この上に接着物質１７、特にワックス混合物によって棒材１を接合する。こ の同一の支持台１６上には検出器１８が固着される。検出器は棒材１に対して平 らに伸されて棒材により受ける応力を検出する。その検出結果に応じて、検出器 の出力線１９を介して電気的に接続された種々の切断要素を反応させる。

図面に表すために選択した実施形態では、支持台１６はローラ４及び５の軸１１ 及び１２に対してほぼ平行な軸２１の周りをピボット回転する揺動体２０の一方 のアーム２０ａの端部に支持される。他方のアーム２０ｂは、図示しないシリン ダ・ピストン・アセンブリやモータ・スクリユー・ナツト式のアセンブリに接続 され、このアームによって支持台や棒材の変位を制御し、観察することができる 。

棒材１を切断するために、軸２１の周りに揺動体２０をピボット回転させて棒材 を下側のワイヤ層７に接触させ、次いでゆっくりと規則正しい方法で回転運動を 続ける。この揺動体の回転速度及びワイヤ２の走行速度は、検出器１８や揺動体 ２０のアーム２０ｂが作用する制御装置からのデータに基づいて決められる。

本発明の方法の第一の形態を実施する切断装置の場合、これについては記述しな かったが、その過程は棒材の並進円運動を除いて同一であり、この場合、揺動体 ２０の代りのスクリュー・ナツト式の装置やラック式の装置による直線運動が前 記運動を代替するが、切断装置は実質的に同一である。

図示しない別の変形例では、棒材は両端が１つのフランジにより支持される軸の 周りを振動できる装置に接合される。

この装置は別の電動モータの先に取付けたカムにより一端で操作される接合アー ムに連結する。

第２図及び第３図に示されるアセンブリは、棒材をその全長にわたって切断可能 とし、棒材の割出し、切断済み部分の排出、切断を続けるための棒材の再位置決 めを行うことができる。フレームは、前壁２０１と後壁２０２と側壁とからなり 、支持台１６を収容する。この支持台自体は２つの中間の位置決め部品２０３と ２０４を介して棒材１を支持する。

第２図に詳しく示されるように、棒材１は壁２０１と２０２を貫通し、Ｈ方向に 押し上げられ、３本の上側ローラ４と下側ローラ５に巻かれた下側の層７に接触 するようになる。

棒材１は中間部品２０３上に接合され、このアセンブリによって、棒材１の割出 しや、その全長にわたっての切断を行うことができ、また切断済み部分の排出や 切断を続けるための棒材の再位置決めを行うことができる。

日９２ 国際Ｖ＠萱報告 ｍｙ−ｗ−ｍＡ＃１ｌ−ＰＣＴ／Ｆ、Ｒ８８１００４２１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも２本のローラ（４，５）の周りに巻かれて平行なストランドの少 なくとも２つの重なり合った層（６，７）を形成し、場合によって送り巻枠（３ ）と巻取り巻枠（８）の間で往復連動を受ける可動金属ワイヤ（２）からなる切 断要素を本質的に含む手段によって切断が行われ、硬質棒材、特にシリコン棒か ら一定の厚さの平板を切断する方法であって、棒材（１）が下側の層（７）より 下の切断要素の外側に位置する支持台（１６）により支持され、 この棒材（１）が切断操作のために前記層（７）に対する前記支持台（１６）の 連続的な上昇する相対的並進運動によって前記層（７）に接触し、次いで前記層 （７）に押しつけられることを特徴とする硬質棒材の切断方法。 ２．可動金属ワイヤ（２）が切削溶液又は切削懸濁液と協動し、前記液中に棒材 （１）が部分的に又は全体的に浸漬されることを特徴とする請求の範囲第１項に 記載の切断方法。 ３．棒材（１）が下側のワイヤ層（７）に押しつけられる時及びその切断操作中 に、前記棒材（１）とその支持台（１６）が描く連続的な上昇する並進連動が前 記下側のワイヤ層（７）の平面に垂直な並進直線運動であることを特徴とする請 求の範囲第１項に記載の切断方法。 ４．棒材（１）が下側のワイヤ層（７）に押しつけられる時及びその切断操作中 に、前記棒材（１）とその支持台（１６）が描く連続的な上昇する並進運動が曲 線運動又は振動運動のいずれか一方又は双方であることを特徴とする請求の範囲 第１項に記載の切断方法。 ５．棒材（１）とその支持台（１６）が描く連続的な上昇する並進運動が並進円 運動であることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の切断方法。 ６．フレーム上に、一方では、少なくとも２本のローラ（４，５）の周りに巻か れて平行なストランドの少なくとも２つの重なり合った層（６，７）を形成し、 場合によって送り巻枠（３）と巻取り巻枠（８）の間で往復運動を受ける可動金 属ワイヤ（２）からなる切断装置を含み、他方では、被切断棒材（１）をその移 動中、強固に保持するための支持台（１６）を含む請求の範囲第１項ないし第５ 項のいずれかに記載の切断方法を実施するための装置であって、 前記支持台（１６）が前記切断装置の外側に配置され、かつ下側の層（７）より 下に置かれ、 前記下側のワイヤ層を突抜けて上昇する並進運動を前記棒材に強制する支持台移 動に必要な手段を前記支持台が含むことを特徴とする硬質棒材の切断方法を実施 するための装置。 ７．ワイヤの走行速度、切削剤の分配及び下側の層に対する棒材の圧力を、被切 断面積、棒材の硬度及び切断のために生じる力の変動に応じて適合させるプログ ラミングを可能とする計算手段を含むことを特徴とする請求の範囲第５項に記載 の装置。 ８．棒材（１）をその全長にわたって切断し得るように、前記棒材が装置の壁（ ２０１，２０２）に形成された開口部を通って、装置の一方から他方に通り抜け ることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の装置。 ９．支持台が、切断装置に対して中心をずらしたピボット（２１）の周りを回転 する２つのアーム（２０ａ，２０ｂ）を備えた揺動体（２０）により構成される 並進曲線運動装置に堅固に固着され、かつ前記支持台が一方のアーム（２０ａ） の端部に配置され、他方のアーム（２０ｂ）が揺動体（２０）の観察手段及び移 動手段に堅固に固着されたことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の装置。