JP2008110464A - 超音波研磨装置及びこれに用いる砥石 - Google Patents

Abstract

【課題】被研磨物を高精度且つ高速で研磨できる超音波研磨装置を提供する。
【解決手段】 アルミ製のリング状の弾性体２の外周部に８個の溝を設け、さらに内部に４個の取付け孔２４を設ける。この４個の取付け孔２４はスリーブに取り付けるためのものである。スリーブは、中心部に砥石回転軸１８に取り付けるためのテーパー穴を持つランジュバン型の超音波ねじり振動子である。
【選択図】図５

Description

本発明は、ガラス、シリコン、セラミックおよび超硬金属および金属材料などを、超音波振動を用いて研磨する超音波研磨装置及びこれに用いる砥石に関する。

ガラス、シリコン、シリコンナイトライド、希土類磁石材料、超硬金属および金属材料などの被研磨物を研磨するために、円環状の砥石を備えた研磨装置が一般的に用いられている。

しかし、半導体材料、磁性材料、圧電材料および光学材料などにおいては、より高精度である研磨面が求められている。また金属材料などは製造コストを削減するために、より研磨速度を高めることが求められている。

これらの要求を満たすために超音波振動を利用することが提案されている。機械加工に超音波振動を利用することは従来から行われており、例えば、工作機械のバイトなどの工具に超音波振動を付与しながら加工対象物を切削している。このような切削方法は、超音波切削加工と呼ばれており、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に、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。

図１は、特許文献１に記載の従来の超音波研磨装置の構成例を示す側面図であり、そして図２は、図１に示すＡ−Ａ線よりの上面図である。図に示す符号１は、円環形状で厚さ５〜１０ｍｍ、幅３〜８ｍｍに形成された砥石１である。この砥石１は、ダイヤモンド砥粒と金属ボンドあるいは、レジボンドが含有構成されている。また、砥石１の上面には、同径で形成され、青銅、アルミ合金、ジュラルミン、ステンレスなどの振動伝達の優れた材質で圧電素子の変位を効率よく伝達する材質により形成された弾性体２が一体的に装着されている。この弾性体２の上面中央位置には、基端を駆動手段と接続構成された円柱状の研磨軸３が配設し、弾性体２及び砥石１を上下動自在に構成すると共に、左右方向に往復運動するように構成されている。

上記弾性体２の上面には、法線方向から一定角度傾斜した方向に小判形状の溝を形成し、その溝の中央にはそれぞれ一定角度傾斜した方向に変位するように矩形状に構成された積層型圧電アクチュエータ８がそれぞれエポキシ系接着剤で固定装着されている。また、上記積層型圧電アクチュエータと弾性体２の上記小判形状に生じた間隔には防湿用の樹脂９がそれぞれ埋設されている。また、上記積層型圧電アクチュエータ８は、それぞれパラレルに結線し、図示しない駆動回路により交番電圧を印加し、弾性体２と砥石１とを研磨面に対して平行に往復運動されるように構成されている。

砥石１の研磨面（下面）側には、砥石１より大径に形成されたワーク固定台５が配設されている。このワーク固定台５の上面には、被研磨物７であるガラスがホットメルト接着剤により貼着固定されている。また、ワーク固定台５の下面中央位置には、その基端に駆動手段と接続した円柱状のワーク固定台軸６が装着されて、被研磨物７を均等に研磨するため、上記研磨軸３とは一定間隔ずれた状態にて駆動するように配設されている。上記ワーク固定台５の上方位置には、スラリー供給手段と接続構成されたパイプよりスラリー４が被研磨物７上に噴出するように構成されている。

上記構成によれば、積層型圧電アクチュエータを用いているため、装置を小型に製造でき、非共振時においても大振幅が得られやすく、発熱がほとんど発生しないとされている。さらに研磨装置が安価に製造できるとされている。また、通常の研磨時間に比較して、約３分の１にすることができ、かつ研磨面も通常研磨に比較して非常に緻密に形成することができるとされている。さらに印加する電圧を調整することにより荒研磨と精密研磨ができるとされている。
特開平５−２００６５９公報 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

しかし、上記特許文献１の構成は、１ＫＨｚ以下の非共振時においても数十ミクロン以下の大振幅が得られやすい積層型圧電アクチュエータを用いているが、これに用いている圧電材料は機械的品質係数が小さい、いわゆるＬＱ材を用いているため、超音波領域の共振時の発熱は非常に大きく、圧電材料の分極が消滅する恐れがある。もし、分極が消滅すると振動源として作用しなくなる。さらに、加工面精度も低下する。

また、積層型圧電アクチュエータによっても砥石１の直径が０．１ｍを超えるようなサイズの砥石１と弾性体２を１５ＫＨｚ以上の超音波領域の非共振で１ミクロン以上の振動を与えることは非常に困難である。

本発明の目的は、優れた研磨面精度と研磨速度を実現する研磨装置を提供することにある。

本発明は、超音波振動を用いて研磨を行う超音波研磨装置において、超音波ねじり振動子を用い、かつ砥石を接合した弾性体にスリットを有しているものとすることである。

本発明はまた、超音波振動を用いて研磨を行う超音波研磨装置において、砥石を接合した弾性体に超音波ねじり振動子を接合し、前記砥石を接合した弾性体にスリットを有するものである。

本発明はまた、超音波振動を用いて研磨を行う超音波研磨装置において、超音波ねじり振動子を用い、回転円板にスリットを有するものとすることである。

本発明の超音波研磨装置は、ねじり振動モードを採用しているので、円周方向の加速度を高めることができる。さらにスリットにより、ねじり振動の一部を径方向の振動に変換できるので径方向の加速度も高めることができる。このため、本発明の超音波研磨装置は、研磨面精度および研磨速度を高めることができる。

本発明の超音波研磨装置はまた、小さな電力で所望の振動の大きさを得ることができる。したがって、省電力はもちろんであるが、砥石の温度の上昇も小さくできるので研磨面精度を高めることができる。

本発明の超音波研磨装置はさらに、砥石の消耗が大きく減少するため、省資源、及び製造コストの低減に役立つ。

本発明の第一の実施の形態の超音波研磨装置を図３の側面図を用いて説明する。加工テーブル１０を回転させる加工テーブル回転軸１１がある。そして、加工テーブル回転軸１１は、図示しないモータに接続されている。加工テーブル上には鋼製の円板上に、たとえば被研磨物７であるリチウムナイオベイト基板を、ホットメルトワックスを用い接着する。

超音波ねじり振動子２５で構成されたスリーブ２７は、砥石回転軸１８にボルト２８ａにより取り付けられる。そして、砥石１を接合し、かつスリット２６を有する円環状の弾性体２を、スリーブ２７である超音波ねじり振動子２５にボルト２８ｂにより接合する。超音波ねじり振動子２５の上部には回転側のロータリートランス１５ａが図示しないボルトにより接続されている。そして対向する位置のケース２１に固定側のロータリートランス１５ｂがある。固定側のロータリートランス１５ｂにはリード線１６により超音波発振器１７が接続されている。

回転側のロータリートランス１５ａと固定側のロータリートランス１５ｂの詳細を図４（Ａ）の正面図とその正面図のＡ−Ａ線で切断した切断図である図４（Ｂ）とにより説明する。軟磁性体であるフェライト２２にコイル２３を配置した回転側のロータリートランス１５ａと固定側のロータリートランス１５ｂを対向させ、固定側のロータリートランス１５ｂより回転側のロータリートランス１５ａに超音波交流電力を伝達する。また、砥石回転軸１８は図示しないモータに接続されている。

また、加工テーブル１０の上方位置にスラリータンク１９よりパイプ２０を通してスラリー４が噴出するように配置されている。

図３、図４に用いた砥石１を接合し、スリット２６を持つ弾性体２とスリーブ２７である超音波ねじり振動子２５の詳細を図５で平面図に、そして図５のＡ−Ａ線での断面図である図６を用いて説明する。また砥石１と弾性体２を接合した構成は、カップ砥石またはグラインディングホイールなどの名称で呼ばれている。

アルミ製のリング状の弾性体２の外周部に８個の溝を設け、さらに内部に４個の取付け孔２４を設ける。この４個の取付け孔２４はスリーブ２７に取り付けるためのものである。スリーブ２７は、中心部に砥石回転軸１８に取り付けるためのテーパー穴を持つランジュバン型の超音波ねじり振動子２５である。ランジュバン型の超音波ねじり振動子２５は、アルミ合金製の弾性体２ａ、２ｂの間に圧電セラミック１２ａ、１２ｂを挟み、ボルト２８ａにより締め付けて構成する。

前記超音波ねじり振動子２５の圧電セラミック１２の詳細を図７の斜視図を用いて説明する。図７の矢印方向は分極方向を示している。交流電界を分極方向に垂直に印加することにより、分極方向と同じ矢印方向に振動することになる。ねじり振動子については非特許文献１に詳しく記述されている。
富川義朗、「超音波エレクトロニクス振動論」、株式会社朝倉書店、１９９８年２月、ｐ１１３−１２２

次にこの超音波研磨装置の運転方法について図３を用いて説明する。まず、加工テーブル１０にリチウムナイオベイト基板を接着した鋼製の円板を電磁力により吸着する。そして砥石１の位置を適正な位置になるように図示しない調整装置により合わせる。次にモータを起動して加工テーブル１０を回転させる。これと同時にスラリータンク１９よりパイプ２０を通してスラリー４を噴出させる。そして、超音波発振器１７の電源を入れて固定側ロータリートランス１５ｂ、回転側ロータリートランス１５ａを介して超音波ねじり振動子２５の圧電セラミック１２に超音波交流電圧を印加する。次にモータの電源を入れて砥石１を回転させ、リチウムナイオベイト基板を研磨する。

ここで超音波ねじり振動子２５の圧電セラミック１２に超音波交流電圧を印加したときの弾性体２の振動について説明する。超音波ねじり振動子２５の圧電セラミック１２に超音波交流電圧を印加すると弾性体は図８の２点鎖線で示すように振動する。ここで、２点鎖線で示した振動変位は、図で示すことを容易にするために実際より大きく図示している。超音波ねじり振動子２５は、ねじり振動する。そのねじり振動はボルト２８ｂにより超音波ねじり振動子２５に取り付けられた弾性体２に伝播し、さらに弾性体２に設けられたスリット２６によりねじり振動の一部が拡縮振動に変換される。研磨面に平行であるねじり振動と拡縮振動を同時に励起することにより研磨面の面精度は向上する。そして超音波振動の効果により加工対象物である被研磨物７との摩擦抵抗が小さくなるために、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして砥石の寿命が長くなるなどの利点を有している。

また、砥石１を接合した弾性体２と砥石回転軸１８先端に取り付けた超音波ねじり振動子２５にだけがほぼ超音波振動するので、砥石回転軸１８などに超音波振動を伝達することが少ないので、超音波振動を効率よく且つ安定に砥石１に付与することができる。

また、本発明の超音波研磨装置は、超音波ねじり振動子２５に接合したロータリートランス１５を使用して超音波交流電圧を印加するため、高回転数でも超音波交流電圧を印加できる。したがって、研磨速度を向上させることができる。

本発明の超音波研磨装置はまた、市販の砥石を接合した弾性体２にスリット２６を設けるだけでよいので、従来品を使用することができる。したがって、安価なコストで超音波振動を付与する砥石を提供することができる。

本発明の第二の実施の形態について説明する。超音波研磨装置については第一の実施の形態と同じものを使用するので砥石１を弾性体２に接合した構成と超音波ねじり振動子２５だけを述べる。

第二の実施の形態の砥石１などの詳細を図９で平面図に、そして図９のＡ−Ａ線での断面図である図１０を用いて説明する。

アルミ製のリング状の弾性体２に８個のスリット２６を設け、８個の圧電セラミック１２を、エポキシ接着剤を用いて接合する。そして、圧電セラミック１２は表面に防水用の塗料を塗布している。８個の圧電セラミック１２は超音波振動子として動作する。また弾性体２の内部に４個の取付け孔２４を設ける。この４個の取付け孔２４はスリーブに取り付けるためのものである。

ここに用いた圧電セラミック１２は、図７で示したものと同じであり、矢印で示すように円周方向に分極されている。

第一の実施の形態と同じように、超音波ねじり振動子２５の圧電セラミック１２に超音波交流電圧を印加すると弾性体は図８の２点鎖線で示すように振動する。超音波ねじり振動子２５は、ねじり振動する。そのねじり振動は弾性体に伝播し、さらに弾性体に設けられたスリット２６によりねじり振動の一部が拡縮振動に変換される。研磨面に平行であるねじり振動と拡縮振動を同時に励起することにより研磨面の面精度そして研磨速度が向上する。そして超音波振動の効果により加工対象物である被研磨物７との摩擦抵抗が小さくなるために、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして砥石の寿命が長くなるなどの利点を有している。

本発明の第三の実施の形態について説明する。超音波研磨装置については第一の実施の形態と同じものを使用するので砥石１を接合した弾性体２、スリット２６を持つ回転円板そしてランジュバン型の超音波ねじり振動子２５だけを述べる。

第三の実施の形態の砥石１などの詳細を図１１の平面図に、そして図１１のＡ−Ａ線での断面図である図１２を用いて説明する。

砥石を接合したアルミ製のリング状の弾性体２を、砥石回転軸１８にボルトにより取り付けられた８個のスリット２６を設けたアルミ合金製の回転円板１４に図示しないボルトにより取り付ける。砥石回転軸１８の上部にはランジュバン型の超音波ねじり振動子２５を図示しないボルトにより接合している。ランジュバン型の超音波ねじり振動子２５は、アルミ合金製の弾性体２ａ、２ｂの間に圧電セラミック１２ａ、１２ｂを挟み、図示しないボルトにより締め付けて構成する。さらに超音波ねじり振動子２５の上部には回転側のロータリートランス１５ａが図示しないボルトにより接続されている。そして対向する位置に固定側のロータリートランス１５ｂがある。固定側のロータリートランス１５ｂにはリード線１６により超音波発振器１７が接続されている。

ここに用いた圧電セラミック１２は、図７で示したものと同じであり、矢印で示すように円周方向に分極されている。

第一の実施の形態と同じように、超音波ねじり振動子２５の圧電セラミック１２に超音波交流電圧を印加すると弾性体は図８の２点鎖線で示すように振動する。超音波ねじり振動子２５は、ねじり振動する。そのねじり振動は、砥石回転軸１８を伝播し、さらに回転円板１４に伝播し、回転円板１４に設けられたスリット２６によりねじり振動の一部が拡縮振動に変換される。研磨面に平行であるねじり振動と拡縮振動を同時に励起することにより研磨面の面精度そして研磨速度が向上する。そして超音波振動の効果により加工対象物である被研磨物との摩擦抵抗が小さくなるために、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして砥石の寿命が長くなるなどの利点を有している。

上記の説明ではカップ砥石、グラインディングホイールを用いたが、もちろん他の回転する砥石を持つものに適用できる。

本発明の超音波研磨装置は、ガラス、シリコン、シリコンナイトライド、希土類磁石材料および金属材料などの被研磨物を研磨することに用いられる。

従来の超音波研磨装置の構成例を示す側面図である。 図１に示すＡ−Ａ線よりの上面図である。 本発明の第１の実施の形態の超音波研磨装置の構成例を示す側面図である。 図３に用いたロータリートランスを示す平面図と側面断面図である。 図３の砥石、弾性体そして超音波ねじり振動子などの詳細を示す平面図である。 図５のＡ−Ａ線で切断した断面図である。 超音波ねじり振動子に用いた圧電セラミックを示す斜視図である。 弾性体に励起されるねじり振動と拡縮振動を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態の砥石、弾性体そして超音波ねじり振動子などの詳細を示す平面図である。 図９のＡ−Ａ線で切断した断面図である。 本発明の第２の実施の形態の砥石、弾性体そして超音波ねじり振動子などの詳細を示す平面図である。 図１１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。

符号の説明

１ 砥石
２ 弾性体
３ 研磨軸
４ スラリー
５ ワーク固定台
６ ワーク固定台軸
７ 被研磨物
８ 積層型圧電アクチュエータ
９ 防湿用の樹脂
１０ 加工テーブル
１１ 加工テーブル回転軸
１２ 圧電セラミック
１３ 溝
１４ 回転円板
１５ ロータリートランス
１６ ワード線
１７ 超音波発振器
１８ 砥石回転軸
１９ スラリータンク
２０ パイプ
２１ ケース
２２ フェライト
２３ コイル
２４ 取付け孔
２５ 超音波ねじり振動子
２６ スリット
２７ スリーブ
２８ ボルト

Claims (3)

1. 超音波振動を用いて研磨を行う超音波研磨装置において、超音波ねじり振動子を用い、かつ砥石を接合した弾性体にスリットを有していることを特徴とする。
2. 超音波振動を用いて研磨を行う超音波研磨装置において、砥石を接合した弾性体に超音波ねじり振動子を接合し、前記砥石を接合した弾性体にスリットを有していることを特徴とする。
3. 超音波振動を用いて研磨を行う超音波研磨装置において、超音波ねじり振動子を用い、回転円板にスリットを有していることを特徴とする。

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