JP6908386B2 - ワイヤソー及びワイヤによるワークの切断加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックや半導体材料などの脆性材料よりなるワークを砥粒固定構造のワイヤによってワークを切断加工するようにしたワイヤソー及びワイヤによるワークの切断加工方法に関するものである。

ワイヤソーにおいは、ワイヤがボビンから繰り出されたり、ボビンに巻き取られたりすることが繰り返されて、そのワイヤによりワークが切断加工される。この場合、ワイヤが前記砥粒固定構造のものである場合、ボビン上においてワイヤの固定砥粒が同ワイヤの隣接部分に接触して、固定砥粒が脱落したり、ワイヤの素線が傷付いたりするおそれがある。

このような問題に対処するために、特許文献１及び特許文献２に開示された技術が提案されている。
特許文献１に開示された技術においては、固定砥粒を有するワイヤの平均直径をＤとし、そのワイヤがボビン上に巻き取りピッチＰで巻き取られるが、この場合、Ｄ＜Ｐ＜２Ｄの関係を満たすようにしている。従って、ワイヤの巻き取りピッチＰがワイヤの平均直径Ｄより大きいため、ワイヤがその隣接部分に強く擦れることを防止できて、砥粒脱落などを防止できるとしている。

特許文献２においては、平均直径Ｄのワイヤの巻き取り間隔をＰとして、２．３Ｄ＜Ｐ＜４Ｄの関係を満たすように、ワイヤがボビンに巻き取られ、これによってワイヤの巻き崩れが低減されて、ワイヤ断線などの損傷を低減できるとしている。

特開２００５−１８６２０２号公報 特開２０１０−１９４６７７号公報

特許文献１及び特許文献２においては、ワイヤの巻き取りピッチをワイヤの直径より大きくして、ワイヤ間に間隔を設けることにより、ワイヤどうしの接触を回避して、砥粒がワイヤの隣接部分に影響を与えないことを意図したものである。しかしながら、ワイヤは、同一部分が複数回切断使用されるものであるため、その切断使用によって多くの砥粒が脱落するだけではなく、ワイヤ素線も磨滅して細くなる。このため、ワイヤの多数回切断使用された部分がボビンに巻き取られると、巻き取りピッチが広いことも相俟って、巻き取られたワイヤ間の間隔が大きくなり、その間隔内に上層部分のワイヤが入り込んでしまう事態が生じる。このような事態になると、前記間隔内に入り込んだワイヤの砥粒によって前記の砥粒脱落やワイヤ損傷などが生じたりするだけではなく、ワイヤの繰り出しにともない前記間隔内のワイヤが間隔内から引き出される際にワイヤの張力が大きく変動して、加工精度に悪影響を与えるおそれもある。

また、特許文献１及び特許文献２においては、ワイヤをその平均直径より大きなピッチでボビンに巻き取るものであるため、巻き取られた状態のワイヤの貯留体積が過大になる。従って、ワイヤが巻き取られるボビンとして、過大な貯留体積に対応するための大径のものや軸方向長さの長いものが必要となる。このため、ワイヤソーの大形化を招いたり、ワイヤソーに対するボビンの脱着に労を要したり、あるいはボビンの運搬や保管に不便であったりする問題が生じる。

本発明の目的は、ワイヤの使用済み部分をボビンに対して適切に巻き取ることができるようにしたワイヤソーを提供することにある。

上記の目的を達成するために、ワイヤソーに関する本発明においては、一対のボビン上に巻き取られたワーク切断加工用のワイヤが架設されて周回される複数の加工用ローラと、前記ボビンの軸線方向に沿って往復動されて、そのボビンに対するワイヤの巻き取り及び繰り出しを案内するトラバーサとを備え、前記加工用ローラ及びボビンの往復回転にともなってワイヤの往復走行が繰り返されて、加工用ローラ間の位置においてワイヤによりワークに切断加工が施されるようにしたワイヤソーにおいて、ワイヤの使用済み部分が他の部分より狭いピッチで一方のボビンに巻き取られるように、前記トラバーサの動作を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。

また、ワイヤによるワーク切断加工方法に係る発明においては、第１ボビン上の砥粒固定構造のワイヤを繰り出してワーク切断加工用のワイヤを複数の加工用ローラ間に架設状態で周回させて、第２ボビンに巻き取り、その状態で、前記加工用ローラ及び前記両ボビンを往復回転させることにより、前記ワイヤを複数回往復走行させてワークを切断加工するとともに、切断加工終了後のワイヤの使用済み部分を第２ボビンに巻き取るワイヤによるワーク切断加工方法において、前記使用済み部分を他の部分より狭いピッチで前記第２ボビンに巻き取ることを特徴とする。

本発明においては、加工用ローラの往復回転により、ワイヤが複数回往復走行されて、ワークに対する切断加工が実行される。そして、ワイヤの切断加工終了後の使用済み部分が他の部分より狭いピッチで前記第２ボビンに巻き取られる。従って、ワイヤの使用済み部分以外の他の部分（以下、使用予定部分という）が使用済み部分に食い込んで、ワイヤから砥粒が脱落したり、ボビンから繰り出されるときにワイヤ張力が大きく変動したりすることを防止できる。また、ワイヤの使用予定部分の巻き取りピッチが広くなるため、同使用予定部分どうしの接触を少なくできて、砥粒脱落やワイヤ損傷を少なくできる。以上のように、ワイヤの使用済み部分をボビンに対して適切に巻き取ることができて、ワークを効率よく高精度で切断加工することが可能になる。また、ワイヤの使用済み部分をボビンに対して高密度で巻き取ることができるため、ボビンとして巻き取り部が小さい小形のものを用いることができる。

本発明によれば、ワイヤの使用済み部分をボビンに対して適切に巻き取ることができるという効果を発揮する。

実施形態のワイヤソーの簡略図。 電気的構成を示すブロック図。 ワイヤを第２ボビンに巻き取った状態を示す簡略断面図。 ワイヤの往復動作を示すタイムチャート。 ワイヤの往行のストローク長及び復行ストローク長と使用済み部分との関係を示す線図。 第１実施形態の動作を示すフローチャート。 第２実施形態の動作を示すフローチャート。

（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態を図１〜図６の図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施形態のワイヤソーにおいては、ワーク加工用のワイヤ１０が巻き取られる第１ボビン１１及び第２ボビン１２がワイヤソーの図示しないフレームに回転可能に支持される。第１ボビン１１及び第２ボビン１２は、それぞれボビン回転用モータ１３，１４によって正逆方向に回転される。このボビン回転用モータ１３，１４は、図２に示す制御装置４１の制御のもとに作動される。そして、これらのボビン１１，１２が所定の時間間隔で同時に、かつ同方向に往復回転されて、両ボビン１１，１２間においてワイヤ１０が往復走行される。

図３に示すように、ワイヤ１０は砥粒固定構造のものであり、ワイヤ１０の外周には砥粒１０１が結合剤１０２によって固定されている。
図１に示すように、前記両ボビン１１，１２間の位置においてワイヤソーのフレーム（図示しない）には、複数（実施形態では一対）の加工用ローラ１５が相互間隔をおいて回転可能に支持されている。両加工用ローラ１５の外周面には複数の環状溝（図示しない）が所定のピッチで形成され、その加工用ローラ１５の環状溝間に前記ワイヤ１０が架設されて両加工用ローラ１５間において周回されている。そして、前記制御装置４１の制御のもとに作動される加工用ローラ回転モータ１６により、両加工用ローラ１５が図１に示す前記第１，第２ボビン１１，１２の往復回転と同期して所定の時間間隔で往復回転される。このため、両ボビン１１，１２に対するワイヤ１０の巻き取りと、両ボビン１１，１２からのワイヤ１０の繰り出しとが所定間隔で交互に行なわれ、ワイヤ１０が加工用ローラ１５間における周回状態で往復移動される。前記制御装置４１は、加工用ローラ回転モータ１６の回転量をカウントし、その積算回転量に基づいてワイヤ１０の走行量を認識する。

前記両加工用ローラ１５間のワイヤ１０の上方には図示しないサドル１７が昇降可能に配置され、そのサドル１７の下面にはワーク２００が支持板２０１に貼着した状態で着脱可能に装着される。そして、サドル１７の下降によりワーク２００が走行するワイヤ１０に押し付けられて、そのワーク２００に対してワイヤ１０によって切断加工が施され、ワーク２００から多数のウェーハ（図示しない）が同時に切り出される。

この場合、図２に示すワイヤソー全体の作動を制御するための制御装置４１の作用により、図４及び図５に示すように、ワイヤ１０の往復動において、往行のストローク長αが復行のストローク長βより長くなるように設定される。従って、ワイヤ１０は往復走行されるものの、トータルとして、ストローク長αとストローク長βとの差分γずつ一方向に送られる。例えば、往行のストローク長αが１０００ｍ（メートル）で、復行のストローク長βが９５０ｍの場合、ワイヤ１０は、１往復ごとに差分γである５０ｍずつ送られる。従って、このような場合、ワイヤ１０は各部分が２０回ずつ切断加工に使用される。

前記第１，第２ボビン１１，１２の近傍位置には、それぞれトラバーサ１８，１９がボビン１１，１２の軸線方向に沿って往復動可能に配置されている。各トラバーサ１８，１９には、ボビン１１，１２に対するワイヤ１０の巻き取り及び繰り出しを案内するためのトラバースローラ２０，２１が回転可能に支持されている。そして、前記ワイヤ１０の走行時には、制御装置４１の制御を受けるトラバースモータ２２，２３の正逆回転により、トラバーサ１８，１９が往復動されて、トラバースローラ２０，２１のトラバース動作が行なわれる。このため、トラバースローラ２０，２１によりボビン１１，１２に対するワイヤ１０の巻き取り及び繰り出しが案内される。従って、トラバースローラ２０，２１のトラバース速度が高速であれば、ボビン１１，１２に対するワイヤ１０の巻き取りが低密度になり、トラバース速度が低速であれば、ボビン１１，１２に対するワイヤ１０の巻き取りが高密度になる。

前記両加工用ローラ１５とトラバーサ１８，１９との間においてフレームには、ダンサ機構２４，２５が支持されている。各ダンサ機構２４，２５には、ワイヤ１０が周回されるダンサローラ２６，２７が回転可能に支持されている。各ダンサ機構２４，２５には、制御装置４１の制御を受けるダンサモータ２８，２９が連結されている。そして、ダンサモータ２８，２９の作動により、ダンサローラ２６，２７を介して、ワイヤ１０に張力が付与されるとともに、その張力の強弱が調節される。ダンサ機構２４，２５には、ワイヤ１０の張力を検出するためのロードセルなどからなる圧力センサ３０，３１が設けられている。この圧力センサ３０，３１からワイヤ張力を示す検出データが制御装置４１に入力されてワイヤ張力が適正値に調節されるとともに、第１，第２ボビン１１，１２のモータ１６の回転が制御されて、ボビン１１，１２の回転速度が調節される。その結果、ボビン径や巻き取り径の大小に関わらず、ワイヤ１０が一定速度で走行される。

各ダンサローラ２６，２７と両加工用ローラ１５との間において加工用ローラ１５の近傍位置には、ワイヤ１０の走行をガイドするためのガイドローラ３２が回転可能に配置されている。

次に、本実施形態のワイヤソーの作用を説明する。ワイヤソーは制御装置４１の制御によって動作される。
ワーク２００の切断加工時には、ワイヤ１０の往復走行にともない、トラバースモータ２２，２３の駆動により、トラバーサ１８，１９がボビン１１，１２の軸線に沿ってトラバース動作される。このため、ボビン１１，１２に対するワイヤ１０の巻き取りが設定ピッチとなるように制御されるとともに、ボビン１２，１１からのワイヤ１０の繰り出しが円滑になるように、同ワイヤ１０が案内される。この場合、ダンサ機構２４によってワイヤ１０に対して適度の張力が付与される。

そして、前記のように、ワイヤ１０は、ワーク２００の切断加工の進行にともない、往行ストローク長αと復行ストローク長βとの差分γずつ送られて、全体が複数回使用される。そして、本実施形態においては、制御装置４１の作用により、複数回使用された差分γの長さの使用済み部分が第２ボビン１２に対して狭いピッチで、かつ高張力で巻き取られる。この使用済み部分とは、あらかじめ定められた複数の使用回数切断加工に使用された部分であって、第２ボビン１２に巻き取られた後は切断加工に使用されない部分を示す。

以下に、制御装置４１の制御のもとに進行する前記巻き取り動作を図６に示すフローチャートに従って説明する。
本実施形態においては、ワーク加工前において未使用ワイヤ１０は第１ボビン１１に巻き取られ、ワーク加工後における使用済みワイヤ１０は第２ボビン１２に巻き取られる。そして、図６に示すフローチャートは、第２ボビン１２，第２ボビン１２側のトラバーサ１９及び第２ボビン１２側のダンサ機構２５の動作プログラムを示すものである。

図６に示すように、ステップ（以下、Ｓという）１において、ワイヤ１０の往行が開始される。この往行開始にともない、Ｓ２においてダンサ機構２５によるワイヤ１０の張力が高めに設定される。また、これと同時に、Ｓ３において、ダンサ機構２５による張力付与がダンサローラ２７と第２ボビン１２との間のワイヤ１０全体に伝播するように、つまり、トラバーサ１９のローラ２１が張力付与の伝播を阻害しないように、ローラ２１が一時的（例えば、１秒未満でよい）にワイヤ１０から離間して、原位置に復帰する。Ｓ４においては、トラバーサ１９の移動速度が低速に設定される。従って、ワイヤ１０の往行にともない、ワイヤ１０が第２ボビン１２に対して高張力で、かつ狭いピッチで巻付けられる。本実施形態においては、Ｓ１〜Ｓ４において、ワイヤ１０はその直径と等しいピッチで巻き取られる。

そして、Ｓ５において、加工用ローラ１５の積算回転量のデータに基づき、ワイヤ１０の差分γの長さの部分の巻き取りが終了したか否かが判断され、終了していない場合は、Ｓ１に戻る。ここで、前記往行の先頭部分における差分γの長さは、往行ストローク長αと復行ストローク長βとの差であって、ワイヤ１０の１往復移動における送り長に相当するため、前記のように、第２ボビン１２に巻き取られた後は、繰り出されることはなく、使用済み部分となり、切断加工に使用されることはない。

Ｓ５の判断において、第２ボビン１２に対する使用済み部分の巻き取りが終了したと判断された場合は、Ｓ６において、ダンサ機構２５によるワイヤ１０の張力が緩められ、Ｓ７においてトラバーサ１９のトラバース速度が高速に設定される。この状態で、ワイヤ１０の往行が継続されるため、ワイヤ１０の使用予定部分は、第２ボビン１２に対して広いピッチで、かつ低張力で巻き取られる。この使用予定部分は、あらかじめ定められた使用回数に達していない部分を指す。ただし、ワイヤ１０の切断開始側の最初の往行ストローク長α部分において、後端に位置する差分γに相当する部分を除き、他の部分はあらかじめ定められた使用回数には達しないが、使用予定部分ではなく、使用済み部分となる。

引き続き、Ｓ８において、往行ストローク長α分の往行が終了したと判断された場合は、Ｓ９において、ワイヤ１０が復行に切り換えられるとともに、Ｓ１０においてワイヤ１０が低張力に設定され、Ｓ１１においてトラバーサ１９が高速に設定される。従って、第２ボビン１２上において広いピッチで巻き取られたワイヤ１０が円滑に無理なく繰り出される。そして、Ｓ１２において、復行ストローク長β分の復行が終了したと判断された場合は、Ｓ１３においてワーク２００の切断加工が終了したか否かが判断され、切断加工が終了していない場合は、Ｓ１に戻る。

このようにして、ワイヤ１０の使用済み部分が第２ボビン１２に対して高密度で巻き取られるため、使用予定部分のワイヤ１０が使用済み部分のワイヤ１０間に入り込むことを防止できる。なお、使用予定部分の広いピッチの巻き取りが第２ボビン１２の端部において折り返されて、同部分の上にさらに巻き取られて重ねられることもあるが、この場合は、広いピッチの巻き取り部分は１層しかないため、問題はほとんど生じない。

なお、第１ボビン１１においては、ワイヤ１０の巻き取り及び繰り出しが低張力で、かつ高速トラバースで行なわれる。従って、第１ボビン１１においては、ワイヤ１０が低張力で、かつ広いピッチで巻き取られるとともに、そのピッチに対応したトラバース速度で繰り出される。

従って、本実施形態においては、以下の効果がある。
（１）ワイヤ１０の使用済み部分が第２ボビン１２に対してワイヤ１０の直径と等しい狭いピッチで高密度に巻き取られる。このため、ワイヤ１０の使用予定部分がボビンに対する巻き取りによって使用済み部分の間に入り込んだり、繰り出しにともなって使用済み部分のワイヤ間から抜け出したりすることを回避できる。従って、ワイヤ１０どうしの接触による使用予定部分の砥粒脱落やワイヤ損傷を回避できるとともに、ワイヤ１０の繰り出しにともなう大きな張力変動を防止できて、ワーク２００を高効率で能率よく切断加工できる。

（２）ワイヤ１０の使用済み部分が第２ボビン１２に狭いピッチで巻き取られるだけではなく、高張力で巻き取られるため、使用予定部分が使用済み部分の上に巻き取られても、使用予定部分が使用済み部分のワイヤ１０間に入り込むことをより確実に回避できる。従って、ワーク２００の切断加工に対する悪影響を回避して、高精度加工を得ることができる。

（３）第２ボビン１２には使用済み部分が狭いピッチで巻付けられるため、ワイヤ１０がその全長にわたって第２ボビン１２に巻き取られた状態においても、ワイヤ１０の貯留体積が大きくなることを避けることができる。従って、図１に示すように、第２ボビン１２は第１ボビン１１と比較して、巻き取り部の軸方向長さ及び径のうちの少なくとも一方の寸法が小さなものでよい。このため、第２ボビン１２を小形，軽量に形成できて、第２ボビン１２のワイヤソーに対する脱着が容易になるとともに、第２ボビン１２の運搬，保管などに便利である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図７に基づいて説明する。
この第２実施形態においては、ワイヤ１０の往行のストローク長αと復行のストローク長βとが等しい。そして、ワイヤ１０の往復が所定回数に達したら、ストローク長分だけ、使用済み部分として第２ボビン１２に巻き取られる。

すなわち、Ｓ２１においてストローク長αの往行が実行され、Ｓ２２においてストローク長βの復行が実行される。そして、Ｓ２３において、往復回数が所定回数に達したことが判断されると、Ｓ２４において、さらにストローク長αの往行が実行される。このとき、Ｓ２５においてワイヤ張力が高めに設定され、Ｓ２６においてトラバーサ１９のローラ２１がワイヤ１０から一時的に離間され、Ｓ２７においてトラバーサ１９の速度が低速に切り換えられる。このため、ワイヤ１０が、その直径と等しいピッチで、かつ高張力で第２ボビン１２に巻き取られる。

従って、前記のように、ワイヤ１０は複数回の往復走行後に、ストローク長分の使用済み部分が第２ボビン１２に巻き取られる。その後、プログラムはＳ２８の判断を経て、Ｓ２１に戻る。

よって、第２実施形態においても、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。
（他の実施形態）
本発明は前記第１，第２実施形態に限定されるものではなく、以下の態様で具体化することも可能である。

・前記第１，第２実施形態では、使用済み部分がワイヤ１０の直径と等しいピッチで巻き取られるようにしたが、使用済み部分の巻き取りピッチを、例えばワイヤ１０の直径の１．１倍程度にして、使用予定部分の巻き取りピッチを１．１倍を越えるピッチとすること。要するに、使用済み部分を使用予定部分より小さな巻き取りピッチで巻き取るようにすること。

・ワイヤ１０の使用済み部分を巻き取る場合、ワイヤ１０の張力をそれ以前の張力と同じ張力とすること。つまり、使用済み部分の巻き取りを使用予定部分の巻き取りと同じ張力で実行すること。

１０…ワイヤ、１１…第１ボビン、１２…第２ボビン、１５…加工用ローラ、１８…トラバーサ、１９…トラバーサ、２４…ダンサ機構、２５…ダンサ機構、４１…制御装置、α…往行ストローク長、β…復行ストローク長。

Claims (5)

1. 一対のボビン上に巻き取られたワーク切断加工用のワイヤが架設されて周回される複数の加工用ローラと、前記ボビンの軸線方向に沿って往復動されて、そのボビンに対するワイヤの巻き取り及び繰り出しを案内するトラバーサとを備え、前記加工用ローラ及びボビンの往復回転にともなってワイヤの往復走行が繰り返されて、加工用ローラ間の位置においてワイヤによりワークに切断加工が施されるようにしたワイヤソーにおいて、
   ワイヤの使用済み部分が他の部分より狭いピッチで一方のボビンに巻き取られるように、前記トラバーサの動作を制御する制御手段を備え、
   前記トラバーサと前記加工用ローラとに間において前記ワイヤに対して張力を付与するためのダンサ機構を備え、前記制御手段は、前記ワイヤの使用済み部分が他の部分より高い張力で前記一方のボビンに巻き取られるように前記ダンサ機構の動作を制御するものであるワイヤソー。
2. 前記制御手段は、前記一方のボビンに対して前記ワイヤがその直径と等しいピッチで巻き取られるように前記トラバーサの動作を制御するものである請求項１に記載のワイヤソー。
3. 前記制御手段は、前記ワイヤの１往復当たりの往行ストローク長が復行ストローク長より長くなるようにワイヤ送りを制御するものである請求項１または２に記載のワイヤソー。
4. 前記制御手段は、ワイヤの使用済み部分の巻き取り開始時に、前記ダンサ機構の動作による高張力付与作用が前記トラバーサと前記一方のボビンとの間の部分のワイヤに伝播されるように前記トラバーサの作用を一時的に低下させるものである請求項１〜３のいずれか１項に記載のワイヤソー。
5. 第１ボビン上の砥粒固定構造のワイヤを繰り出して複数の加工用ローラ間に架設状態で周回させて、第２ボビンに巻き取り、その状態で、前記加工用ローラ及び前記両ボビンを往復回転させることにより、前記ワイヤを複数回往復走行させてワークを切断加工するとともに、切断加工終了後のワイヤの使用済み部分を前記第２ボビンに巻き取るワイヤによるワークの切断加工方法において、
   制御手段が、前記ワイヤに対して張力を付与するダンサ機構の動作と、前記両ボビンに対するワイヤの巻き取り及び繰り出しを案内するトラバーサの動作を制御することで、前記使用済み部分を他の部分より高い張力で、かつ狭いピッチで前記第２ボビンに巻き取るワイヤによるワークの切断加工方法。

Images