JP2013031887A

JP2013031887A - 研磨具

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Publication number: JP2013031887A
Application number: JP2009284510A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2013-02-14
Also published as: WO2011065415A1; TW201143968A

Abstract

【課題】砥石の偏摩耗が発生し難く、そして研磨抵抗の小さい研磨具を提供する。
【解決手段】研磨具１は、回転軸８の下端部に回転軸８に対して垂直に固定された支持板１０に、円盤状の砥石装着板の接続部３を図示しないボルトにより接続する。砥石装着板２は、砥石５を保持するリング状の砥石保持部４と支持板１０と接続するリング状の接続部３を持っている。また、砥石装着板２の上面の中心と円盤状の超音波振動子７を一致させてエポキシ樹脂を用いて接着する。支持板１０は、例えば、図示しないボルトを用いて砥石装着板の接続部３を固定する。また砥石装着板２は、リング状の砥石保持部４を持つ。砥石保持部４の下面には、周溝６が形成されている。この周溝６に砥石５が嵌め合わせられて固定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、研磨対象物の表面を研磨するために用いられ研磨具に関する。

従来より、電子部品の製造のため、サファイア基板、ガラス基板、シリコンカーバイト基板、シリコン基板、あるいはアルミナーチタンカーバイト基板などが用いられている。これらの基板の表面は、環状の砥石を備える研磨具とその駆動装置とから構成される研磨装置を用いて平滑に研磨される。

特許文献１の研磨具は、駆動装置の回転軸の下端部に回転軸に対して垂直に固定される環状の支持板（接続板）、支持板の下方に複数個（合計で６個）の接続部材（接続部）を介して支持されている、下面に環状の砥石が装着された環状砥石装着板（環状弾性体）、および砥石装着板に固定された複数個（合計６個）の超音波振動子から構成されている。

前記の各接続部材の幅（砥石装着板の径方向に沿う長さ）は、砥石装着板の幅と等しくされている。支持板の各ねじ孔と各接続部材のねじ孔と各接続部材のねじ孔とにボルトをねじ込むことにより、支持板と砥石装着板とが複数個の接続部材を介して互いに固定される。

研磨具を備える研磨装置では、次のようにして研磨対象物の表面の研磨が行われる。先ず、駆動装置の回転軸を研磨具と共に回転させる。次に、各々の超音波振動子に電気エネルギー（例、交流電圧）を付与することにより、各振動子にて超音波振動を発生させる。この超音波振動は砥石装着板を介して砥石に付与されるため、砥石が超音波振動する。そして研磨具の砥石を研磨対象物に接触させることにより、研磨対象物の表面の研磨が行なわれる。

研磨具の砥石装着板の互いに隣接する接続部材の間の部位は、接続部材に接続されている部位と比較して超音波振動し易い。したがって、各々の超音波振動子にて発生した超音波振動は、接続部材、そして支持板を介して回転軸に伝わり難く、その大部分が砥石装着板を介して砥石に付与される。このため、砥石が大きな振幅にて超音波振動する。これにより砥石と研磨対象物との摩擦抵抗が小さくなり、この摩擦により発熱が抑制され、研磨対象物の熱膨張や変質が抑制されるため、研磨対象物の表面にて研磨されると記載されている。

特許文献２の研磨具では、環状の砥石は、駆動装置の回転軸の下端部に固定された円板部とその周縁から下方に伸びる円筒部の外周面には円環状外側溝が、そして内周面には円環状内側溝が形成されている。溝と溝との深さの合計は、円筒部の厚みよりも大きく設定される。したがって、溝と溝とは、円筒部に互いに上下に間隔をあけて形成される。

研磨具では、超音波振動子にて発生した超音波振動が、円筒部と溝の内部の空気層との界面から形成される超音波反射面にて反射され、その大部分が円筒部の溝よりも下側の部分を介して砥石に付与される。このため、研磨対象物の表面が高精度にて研磨されると記載されている。

国際公開第０６／１３７４５３号パンフレット国際公開第０８／１０８４６３号パンフレット

特許文献１の研磨具は、砥石装着板の接続部材に接続された部位が超音波振動が相対的に他の部位に比較して小さいため、接続部材と対応する砥石装着板に装着された砥石の部位の超音波振動も小さい。このため、砥石の偏摩耗（砥石が周方向において不均一に摩耗）して、長時間の使用により研磨の精度が低下する可能性がある。

特許文献２の研磨具では、研磨対象物の表面を高精度で研磨するために研磨対象物の研磨面に平行に超音波振動し易い。しかし、研磨面の垂直方向の超音波振動は研磨面と平行な方向に比較して小さい。研磨抵抗を小さくするためには、平行方向に比較して垂直方向の超音波振動が大きいことが望まれる。

本発明の課題は、砥石の偏摩耗が発生し難く、そして研磨抵抗の小さい研磨具を提供することにある。

本発明は、回転軸の下端部に該回転軸に対して垂直に固定される支持板があり、円盤状の砥石装着板に接続部と砥石保持部を持ち、砥石装着板の接続部と該支持板が接続され、砥石装着板の砥石保持部に連続した、または不連続の環状の砥石が装着され、そして該砥石装着板に超音波振動子が固定されている研磨具とするものである。

前記砥石装着板の接続部と砥石装着板の砥石保持部の半径方向の距離Ｓ１、Ｓ２が、砥石装着板の接続部の幅Ｗより小さくするものである。

円盤状の砥石装着板に接合された超音波振動子を円盤状とするものである。

本発明は、回転軸の下端部に該回転軸に対して垂直に固定される支持板があり、円環状の砥石装着板に接続部と砥石保持部を持ち、砥石装着板の接続部と該支持板が接続され、砥石装着板の砥石保持部に連続した、または不連続の環状の砥石が装着され、そして該砥石装着板に超音波振動子が固定されている研磨具とするものである。

円環状の砥石装着板に接合された超音波振動子を円盤状とするものである。

本発明の研磨具は、研磨対象物と砥石の摩擦力を軽減することができるので、研磨速度を向上させることができる、また研磨対象物と砥石の発熱を低減できるため、高精度である研磨面を得ることができる。

本発明の研磨具の構成例を示す断面図である。図１に記入した切断線Ａ−Ａ線に沿って切断した研磨具の断面図である。砥石装着板の振動モード変換を説明する概略図である。砥石装着板の接続部と砥石保持部の位置関係を示す断面図である。砥石装着板の接続部と砥石保持部の位置関係を示す別の断面図である。砥石装着板の接続部と砥石保持部の位置関係を示すさらに別の断面図である。本発明の別の研磨具の構成例を示す断面図である。図７に記入した切断線Ｂ−Ｂに沿って切断した研磨具の断面図である。

本発明の研磨具の構成を、添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明の研磨具の構成例を示す断面図であり、そして図２は、図１に記入した切断線Ａ−Ａに沿って切断した研磨具の断面図である。

図１及び図２に示す研磨具１は、回転軸８の下端部に回転軸８に対して垂直に固定された支持板１０に、円盤状の砥石装着板の接続部３を図示しないボルトにより接続する。砥石装着板２は、砥石５を保持するリング状の砥石保持部４と支持板１０と接続するリング状の接続部３を持っている。また、砥石装着板２の上面の中心と円盤状の超音波振動子７を一致させてエポキシ樹脂を用いて接着する。

研磨具１は、回転軸８の下端部に、例えば、ボルトを用いて固定される。駆動装置としては、例えば、前記特許文献１あるいは特許文献２に記載された研磨装置に備えられている駆動装置を用いることができる。なお、回転軸は、水平方向に配置されてもよい。この場合、本発明の研磨具の「上側」とは支持板の側を、そして「下側」とは砥石の側を意味する。

支持板１０は、例えば、図示しないボルトを用いて砥石装着板の接続部３を固定する。ここで砥石装着板の接続部３は、砥石装着板２と分離してもよい。そして、砥石装着板２と接続部３をボルトで接合するか、または接着剤で接合しても良い。

また砥石装着板２は、リング状の砥石保持部４を持つ。リング状の砥石保持部４は砥石５に近づくに従い、リングが細くなる形状でもよい。これは、砥石５に半径方向の不要な振動を与えないためである。砥石保持部４の下面には、周溝６が形成されている。この周溝６に砥石５が嵌め合わせられて固定されている。砥石保持部４と砥石５とは、例えば、接着剤を用いて固定することもできる。なお、回転軸８と支持板１０、支持板１０と砥石装着板の接続部３、砥石装着板の砥石保持部４と砥石５のそれぞれの固定方法に特に制限はない。

砥石装着板２は超音波振動の減衰の小さい材料が適しているため、砥石装着板２の材料は、例えば、アルミニウム、青銅、ステンレススチール、アルミニウム合金、及びチタン合金に代表される金属材料から形成することができる。

環状の砥石５としては、例えば、ダイアモンド砥粒に代表される砥粒を、金属ボンドやレジンボンドで結着して連続した環状の形状に設定された砥石（連続した環状の砥石）を用いることができる。通常、砥粒の平均粒径は、０．１〜５０μｍの範囲内に設定される。

環状の砥石５としては、環状に並べて配置された複数個（例えば２〜２００個）の砥石片の集合体」（不連続の環状の砥石）を用いることができる。不連続の環状の砥石は、上記の連続した環状の砥石と比較して、その作成が（特に環状の砥石の径が大きい場合に）容易である。また、研磨の際に砥石内部に生じる応力を低減するため、砥石の破損の発生が抑制される。

研磨具１では、１個の円盤状の超音波振動子７が用いられている。超音波振動子７としては、例えば、圧電体の上面及び下面の各々に電極層を付設した構成の圧電振動子が用いられる。

圧電体の材料の例としては、ジルコン酸チタン酸鉛系の圧電セラミック材料が挙げられる。圧電体は、例えば、その厚み方向（図１の上下方向）に分極処理される。電極層の材料の例としては、銀、金そしてリン青銅などの金属材料が挙げられる。

超音波振動子７は、例えば、エポキシ樹脂を用いて砥石装着板２に固定される。超音波振動子７は、砥石装着板２の上面、下面、外周面及び内周面の何れの面に固定してもよいが、砥石装着板２の上面に固定することが好ましい。これにより、研磨の際に研磨対象物の表面に供給される研削補助液（代表例、水）を介した超音波振動子７の上下面の電極層の電気的な短絡が防止される。

超音波振動子７は、その電極層に電源にて発生した電気的エネルギーが付設されると超音波振動を発生する。この超音波振動は砥石装着板２を介して砥石５に付与される。超音波振動子７と電源とは、例えば、ロータリートランスやスリップリングを介して互いに電気的に接続される。超音波振動子７と電源との電気的な接続方法については、前記の特許文献１及び特許文献２の各々に詳しい記載がある。

図１の研磨具１の場合、砥石装着板の接続部３の上端が固定され、砥石装着板の接続部３と砥石保持部４が垂直方向に直線状にあり、砥石装着板の接続部３を支持板１０で固定し、そして内周部に超音波振動子７があるため、図３に示す振動モードが出現する。

図３（Ａ）は、円盤状の砥石装着板２が板に垂直方向に図３（Ａ）の実線で示す撓み振動をして外周部に伝搬し、砥石装着板の接続部３と砥石保持部４に点線の矢印で示す縦方向の振動を励起する。図面を簡略化するために砥石保持部４に接合する砥石を省略した。

図３（Ｂ）は、円盤状の砥石装着板２が板に平行方向に図３（Ｂ）の実線の矢印で示す径方向の振動をして外周部に伝搬し、砥石装着板の接続部３と砥石保持部４に点線で示す撓み振動を励起する。図面を簡略化するために砥石保持部４に接合する砥石５を省略した。

本発明者は、図３で示すように円盤の外周の上下方向にリング状の突起を設け、そしてリング状の突起の一方の端面を固定することにより、円盤の振動をリング状の突起で振動モードを変換することができることを発案した。

図３（Ａ）に示す振動モードを励起することにより、砥石５に研磨対象物の面に垂直方向の超音波振動を発生させることができる。この超音波振動により砥石５と研磨対象物との摩擦抵抗を小さくできため、砥石５と研磨対象物の摩擦による発熱が抑制され、研磨対象物の熱膨張が抑制され研磨対象物の表面が高精度に研磨できる。また砥石も同様に発熱が抑制されるため砥石のライフが伸びる。

なお、研磨具１の超音波振動子７に付与する交流電圧の周波数は、例えば、次のようにして定めることができる。有限要素法により砥石装着板の接続部３の端面を固定した条件での、砥石５が装着され、かつ超音波振動子７が固定された砥石装着板２の固有振動モードを計算する。そして所望の振動モードの固有振動数を予め計算する。

次に実際の砥石５が装着された砥石装着板２に固定された超音波振動子７の周波数特性を、例えば、インピーダンスアナライザを用いて測定する。そして先に有限要素法を用いて計算した所望の固有振動モードの固有振動数に近い周波数特性のピークの交流電圧の周波数を、砥石装着板２に接合した超音波振動子７に印加する。

そして所望の振動モードであることを確認するため、例えばレーザドプラー振動計により砥石５および砥石装着板２の超音波振動の変位量を測定する。

本発明の研磨具１では、砥石装着板２の外周部にあるリング状の接続部３の高さＴ２がリング状の接続部Ｗの０．１倍以上で２倍より小さいことが好ましい。接続部の高さＴ２が０．１倍より小さいと砥石保持部の超音波振動が小さくなってしまう。また、接続部の高さＴ２が２倍以上であると振動モード変換機能が十分に発揮できない。

また研磨具１では、図４に示すように砥石装着板２の外周部にあるリング状の接続部３と砥石保持部４は同じ形状が最も望ましいが、図５、図６で示すように接続部３と砥石保持部４の水平方向の距離Ｓ１、Ｓ２が接続部の幅ｗより小さければ振動モード変換機能が働く。

研磨具１の超音波振動子７の位置は、最も歪の大きい砥石装着板２の中心が望ましい。また超音波振動子７の形状は円盤状が望ましい。これは、全円周方向に均一な振動を付与するためである。

図７は、本発明の別の構成例を示す断面図である。そして図８は、図７に記入した切断線Ｂ−Ｂに沿って切断した研磨具１の断面図である。

図７に示す研磨具１は、回転軸８の下端部に回転軸８に対して垂直に固定された支持板１０に、円環状の砥石装着板２を図示しないボルトにより接続する。砥石装着板２は、砥石５を保持するリング状の砥石保持部４と支持板と接続するリング状の接続部３を持っている。また、砥石装着板２の上面の中心と円環状の超音波振動子７を一致させてエポキシ樹脂を用いて接着する。

研磨具１は、回転軸８の下端部に、例えば、ボル９トを用いて固定される。駆動装置としては、例えば、前記特許文献１あるいは特許文献２に記載された研磨装置に備えられている駆動装置を用いることができる。なお、回転軸８は、水平方向に配置されてもよい。この場合、本発明の研磨具の「上側」とは支持板の側を、そして「下側」とは砥石の側を意味する。

支持板１０は、例えば、図示しないポルトを用いて砥石装着板の接続部３を固定する。ここで砥石装着板の接続部３は、砥石装着板２と分離してもよい。そして、砥石装着板２と接続部３をボルトで接合するか、または接着剤で接合しても良い。

図７は、図１の円盤状の砥石装着板の中心部に貫通する孔１５を設けたものである。そして、この孔１５を通して研削液を砥石内部から供給できる。これは特に研削抵抗の大きい加工を行うときに有効である。

本構成例においても、砥石装着板が円環状であるだけ、円環の外周の上下方向にリング状の突起を設け、そしてリング状の突起の一方の端面を固定することにより、円環状の砥石装着板の振動をリング状の突起（支持部、砥石保持部）で振動モードを変換することは同じである。

１研磨具
２砥石装着板
３接続部
４砥石保持部
５砥石
６周溝
７超音波振動子
８回転軸
９ボルト
１０支持板
１１砥石装着板の撓み振動モードを示す実線
１２砥石保持部の縦振動モードを示す点線
１３砥石装着板の円盤の拡縮振動モードを示す実線
１４砥石保持部の曲げ振動モードを示す点線
１５孔

Claims

回転軸の下端部に該回転軸に対して垂直に固定される支持板があり、円盤状の砥石装着板に接続部と砥石保持部を持ち、砥石装着板の接続部と該支持板が接続され、砥石装着板の砥石保持部に連続した、または不連続の環状の砥石が装着され、そして該砥石装着板に超音波振動子が固定されていることを特徴とする研磨具。
前記砥石装着板の接続部と砥石装着板の砥石保持部の半径方向の距離Ｓ１、Ｓ２が、砥石装着板の接続部の幅Ｗより小さいことを特徴とする請求項１に記載の研磨具。
円盤状の砥石装着板に接合された超音波振動子を円盤状とすることを特徴とする請求項１に記載の研磨具。
回転軸の下端部に該回転軸に対して垂直に固定される支持板があり、円環状の砥石装着板に接続部と砥石保持部を持ち、砥石装着板の接続部と該支持板が接続され、砥石装着板の砥石保持部に連続した、または不連続の環状の砥石が装着され、そして該砥石装着板に超音波振動子が固定されていることを特徴とする研磨具。
前記砥石装着板の接続部と砥石装着板の砥石保持部の半径方向の距離Ｓ１、Ｓ２が、砥石装着板の接続部の幅Ｗより小さいことを特徴とする請求項４に記載の研磨具。
円環状の砥石装着板に接合された超音波振動子を円環状とすることを特徴とする請求項４に記載の研磨具。