JP2005319769A - 振動テーブル - Google Patents

Abstract

【課題】 機械加工装置にワークを固定保持する振動テーブルにおいて、加工テーブル全体にほぼ均一な振動を与え、かつ薄型の振動テーブル提供すること。
【解決手段】 振動テーブル１は、ステンレス製のブロック２そして積層型圧電素子３から構成している。ステンレス製のブロック２は、加工装置に取り付けるためのボルト穴４を４箇所に設けている。ブロック２は放電加工によって作成する。ブロック２は、その中央部に振動するブロックの質量を小さくするために切り欠き部７を設ける。また、強制振動による変位量を大きくするため薄肉部８を設ける。さらに積層型圧電素子３を固着する固着部６と積層型圧電素子３の変位を受ける可動固着部５を設ける。なお、積層型圧電素子３を可動固着部５と固着部６に固着する方法については、エポキシ樹脂を用いる。そして、積層型圧電素子３に時間的に変化する電圧を印加する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガラス、セラミック、シリコーン、チタン、超硬金属などの切断、研削及び研磨加工および半導体装置等に用いられる振動テーブルおよびその振動テーブルを使用した機械加工装置と半導体装置に関するものである。

一般に、ガラス、セラミック、シリコーン、チタン、超硬金属などの硬度が高い脆性材料を切断、研削等の加工を施すことは、非常に困難であり従来から工具に超音波振動を加え加工することが行われている。このような超音波切削加工は、切削抵抗が低減するため、切削ツールの摩擦熱が少なく加工面の熱歪が少なくなり、切削ツールの寿命が長くなると共に、加工精度の向上につながってくる。なお超音波切削加工について「超音波便覧」（丸善株式会社、平成１１年発行）６７９〜６８４ページに詳しく記載されている。

また、ワークを固定する加工台に超音波振動を与え、これをワークに伝播させ、超音波切削加工を行うことが従来よりよく知られていることである。例えば、特開２００２−３５５７２６号公報には、図１０に示すように超音波振動テーブルは、工作機械のベッドに取り付けられ加工されるワークを固定可能なテーブル装置であり、アルミニウム製のケーシングにシールド用のゴム板を介して固定され、上下に振動する超音波振動装置と超音波振動装置の上端部に、その下側中間部を固定されてワークを固定する振動板と、振動板の外側下部から下方に突出し、ケーシングの超音波振動装置の外側に形成された案内用凹部に挿入されて振動板の横移動を制限しながら上下方向に案内するガイド部材とを有している。ケーシングは、上方に開口した箱状に形成され、内周上部には、内側に突出するリング状の内フランジ部が形成されている。内フランジ部の複数箇所には、上下に貫通する雌ねじ部が形成されている。ケーシングに設けられた鉄製の裏面プレートは、ボルト部材によって着脱可能に形成されている。
さらに、半導体装置であるプラズマＣＶＤ装置において、基板に超音波振動を加えることで基板上に成膜される膜質が緻密で均質なものになることが良く知られている。これに関しては特開２００３−８２４６３「被膜形成方法」に詳しく記載されている。

しかしながら、超音波切削加工においては、工具が大型化した場合は、ワークと接触する工具の加工部分に均一な超音波振動を与えることが非常に難しい。
また、工具が小型化した場合、超音波振動を与える装置も小型化しなければならない。超音波振動装置が小型化すればするほど工具に与えられる振動エネルギーは小さくなってしまう。このため、工具が小型であるときは、超音波切削加工能力は小さくなってしまう欠点がある。

一方、上記の超音波振動テーブルは、工具の形状と関係なく振動させることができる。しかし、超音波振動子の超音波放射面の面積はテーブルの面積に比較して小さいためテーブル全体には均一に振動変位が得られないという欠点がある。
また、加工装置は特に半導体装置において、一般的に高さの高い超音波振動テーブルを収容する空間が無いのが普通であり、高さの高い超音波振動テーブルは加工装置に設置できない問題はある。
さらに、超音波振動テーブルはテーブル面に超音波振動子が固着されているため、テーブルの質量が大きいとテーブル面が振動の節になる傾向が強く、テーブル面の超音波振動が小さくなる可能性が高いという問題点もある。
また、超音波振動テーブルは、ワークを含めた構成の共振周波数で駆動しなければならないので、加工条件において最適周波数があってもその周波数で駆動することはできないという問題点もある。
さらに、超音波振動テーブルの駆動周波数は１５ＫＨｚ以上であり、それ以下の周波数では振動変位が小さく、１５ＫＨｚ以下の周波数は利用できないという問題点がある。
本発明の目的は上述の問題点を解消する振動テーブルおよびその振動テーブルを使用した機械加工装置と半導体装置を提供することにある。

本発明は、加工装置に取り付けられ加工されるワークを固定保持するテーブル装置において、テーブルに積層型圧電素子を取り付け、積層型圧電素子に電圧を印加することによりテーブル装置を振動させることを特徴とする振動テーブル装置とするものである。

本発明は、前記積層型圧電素子に印加する電圧が、１秒間に１００回以上かつ１５０００回以下変化する振動テーブル装置とするものである。

本発明は、積層型圧電素子の変位方向がテーブル面に垂直である振動テーブル装置とするものである。

本発明は、積層型圧電素子の変位方向がテーブル面に平行である振動テーブル装置とするものである。

本発明は、テーブル面に垂直方向に振動する振動テーブル装置、テーブル面に平行方向に振動する振動テーブル装置、テーブル面に中心軸に対して角振動する振動テーブル装置のすべてまたは２個を組み合わせて使用する振動テーブル装置とするものである。

本発明は、振動テーブル装置に機械加工装置を取り付けることを特徴とする機械加工装置とするものである。

本発明は、振動テーブル装置を半導体加工装置に取り付けることを特徴とするものである。

本発明の振動テーブルは、振動テーブル表面にほぼ均一の大きさの振動が励起できるので、この面に保持固定されるワークにも場所によらず、ほぼ均一の大きさの振動が伝播する。その結果、振動テーブルに保持固定されるワークの位置及びワークの大きさにほぼ影響を受けることなく、前記保持固定されたワークの加工速度の向上と難加工材料の加工が可能となる。
また、本発明の振動テーブルは、薄型が可能であるため、ほとんどすべての加工装置に設置することができる。
さらに、本発明の振動テーブルは、非共振状態で振動させるため、ワークにより振動数を選択することができる。

本発明を、添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明の第一の構成の振動テーブルの一例を示す斜視図である。

ほぼ同じ構成が顕微鏡に使用する位置決めステージとして用いられている。この内容の詳細は「精密制御用ニューアクチュエータ便覧、１９９４年、株式会社フジ・テクノシステム」のページ４９０〜ページ５００に記載されている。位置決めステージ用に用いられる積層型圧電素子は、変位素子として用いられるものである。一方、本発明の振動テーブルには振動素子として用いる。

図１に示す振動テーブル１は、ステンレス製のブロック２そして積層型圧電素子３から構成している。ステンレス製のブロック２は、加工装置に取り付けるためのボルト穴４を６箇所に設けている。ブロック２は放電加工によって作成する。強制振動による変位量を大きくするために切り欠き部７を設け薄肉部８を設ける。さらに積層型圧電素子３を固着する固着部６と積層型圧電素子３の変位を受ける可動固着部５を設ける。なお、積層型圧電素子３を可動固着部５と固着部６に固着する方法については、エポキシ樹脂を用いたが、ネジによる機械的固定方法でも良い。

つぎにこの振動テーブル１の運転方法について説明する。積層型圧電素子３に時間的に変化する電圧を印加する。図５を用いて電圧の印加方法について説明する。（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）とも縦軸が印加電圧の大きさを示し、横軸が時間軸である。
（Ａ）の方法は、矩形状の電圧を印加する方法であり、図では１周期間で電圧を印加している時間と電圧を印加していない時間を同じにしたが、この割合を変化させることも可能である。また、図では図面を簡略にするため（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）とも３周期だけを描いた。実際には振動加工の効果を出現させるために１秒間に１００周期以上１５０００周期以下の条件で電圧を印加する必要がある。
（Ｂ）の方法は三角波状の電圧を印加する方法である。この三角波と類似なノコギリ状の電圧でももちろん良い。
（Ｃ）の方法はサイン波状の電圧を印加する方法である。ここで直流電圧をサイン波状の電圧に加えることで中心電圧をシフトさせる方法もある。これは、積層型圧電素子３の圧電材料の分極が劣化しないためにする。
以上代表的な時間的に変化する電圧波形を示したが、周期性のある電圧波形であれば、他の波形でもよい。

積層型圧電素子３に周期性のある電圧を印加すると積層型圧電素子３が長さ方向に変位する。そして図１に示す固着部６と可動固着部５により積層型圧電素子３の変位を受ける。固着部６はステンレスの肉厚が大きいのでほとんど変位はしない。一方、可動固着部５は、薄肉部８の効果により積層型圧電素子３の変位の変位をほぼそのまま受ける。したがって、ブロックのテーブル面が積層型圧電素子３の変位の変位方向と同じ矢印方向に振動する。

ここで積層型圧電素子３について図２を用いて説明する。なお、積層型圧電素子３は圧電アクチュエータとも呼ばれており、例えば「精密制御用ニューアクチュエータ便覧、１９９４年、株式会社フジ・テクノシステム」のページ６０〜ページ７０に記載されている。積層型圧電素子３は、複数の圧電セラミックを積層したものであり、最上部と最下部の圧電セラミックは分極されていない不活性部９である。他の圧電セラミックは分極されている分極部１０である。また上下に隣り合う圧電セラミックの分極方向は互いに逆である。各々の圧電セラミックの間には内部電極１１があり、１層おきに内部電極１１を接続するためにガラス製の絶縁体１３が設けてある。そして１層おきに内部電極１１を接続する外部電極１２がある。この外部電極１２に電圧を印加することにより積層型圧電素子３を長さ方向に変位させる。

図１に示す振動テーブル高さが４０ｍｍ以下の薄型化が可能であり、ほぼどのような半導体装置を含む加工装置にも搭載が可能である。
また、駆動周波数を可変できるため、ワークの材質、形状により最適な駆動周波数で運転できる。
さらに、非共振駆動であるのでブロック２の表面であるテーブル面が一様に縦振動する。

図３は、本発明の第一の構成の振動テーブルをドリル装置に取り付けた側面図である。ドリル装置の昇降装置１６に本発明の第一の構成の振動テーブル１をネジを用いて固定する。その振動テーブル１に回転装置１９をネジにより取り付ける。そしてその回転装置１９にドリル１８を取り付ける。また、ベース台１４に通常のテーブル１５を取り付けその上に加工対象物であるワーク１７を機械的にクランプする。なお、昇降装置１６は回転モータとボールネジにより構成したものであるが、図面を簡略化するため詳細は示さない。
次のこのドリル装置の運転方法について説明する。まず、振動テーブル１の積層型圧電素子３に周期性のある電圧を印加する。ほぼこれと同時に回転装置１９に電力を与え、ドリル１８を回転させる。そして、昇降装置１６によりワークに向けてドリルを１８を移動する。そして切削油を用いながらワークをドリル加工する。

この結果、ドリルは回転運動に振動テーブル１の縦振動が加わるので、縦振動の効果により切削抵抗が小さくなるため切削スリードを上げることができる。また、ドリルの消耗が小さくなる。これは、従来より知られている現象である。

図４は、本発明の第二の構成の振動テーブルの一例を示す斜視図である。テーブル面が水平に２方向に振動する構成になっている。
図４に示す振動テーブル１は、ステンレス製のブロック２そして積層型圧電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄから構成している。ステンレス製のブロック２は、加工装置に取り付けるためのボルト穴４を８箇所に設けている。ブロック２は放電加工によって作成する。また、強制振動による変位量を大きくするため薄肉部８を設ける。さらに積層型圧電素子３を固着する固着部６と積層型圧電素子３の変位を受ける可動固着部５を設ける。なお、積層型圧電素子３を可動固着部５と固着部６に固着する方法については、エポキシ樹脂を用いたが、ネジによる機械的固定方法でも良い。

つぎにこの振動テーブル１の運転方法について説明する。積層型圧電素子３に時間的に変化する電圧を印加する。電圧の印加方法については、第一の構成の振動テーブルで述べたものと同じである。
図の矢印Ａ方向に振動させるには、積層型圧電素子３ａに時間的に変化する電圧を印加する。また、図の矢印Ｂ方向に振動させるには、積層型圧電素子３ｂに時間的に変化する電圧を印加する。
さらに積層型圧電素子３ａに印加する時間的に変化する電圧と積層型圧電素子３ｂに印加する時間的に変化する大きさの同じ電圧の位相差を９０度にすることで矢印Ｃの円軌跡の振動を励起することもできる。積層型圧電素子３ａと積層型圧電素子３ｂに印加する電圧の大きさが異なるときは、楕円振動となる。

このようなテーブル面に水平方向のＸ方向、Ｙ方向、円軌跡の任意の振動を励起させることができるので、加工装置の加工方法またはワークの形状あるいは材料によって最適な振動を選択できる。これは、非共振振動の特徴であり、従来の超音波振動テーブルでは実行できない。
また、これも非共振振動の特徴であるがテーブル面の振動をそのままワークに与えることができる。一方、従来の超音波振動テーブルではテーブル面に水平方向の振動はテーブル面とワークの超音波振動のロスが大きくなり、ワークに伝播する振動はかなり小さくなり超音波振動テーブルの効果がほとんど発揮できない。

本発明の第二の構成の振動テーブル１に基板を取り付け、インクジェト装置２１により溶液２２を基板２０にコーティングする例を図６に示す。なお、振動テーブル１は、クリーンな環境を保つケースの中に収められているが、図が複雑になるため、ケースなどは省略した。
次にこの装置の運転方法について説明する。インクジェト装置２１より溶液２２を基板２０に噴射する。次に振動テーブル１の積層型圧電素子３ａに印加する時間的に変化する電圧と積層型圧電素子３ｂに印加する時間的に変化する電圧の位相差を９０度にすることにより円軌跡の振動を励起する。そして、溶液２２が乾燥した後に積層型圧電素子３ａ、３ｂの電圧の印加を停止する。
基板に振動が伝播することにより基板に噴射した溶液の膜厚がより均一になる。このような例は特開２００３−１７２５２「有機エレクトロ・ルミネッセンス表示素子の製造方法」に記載されている。

図７は、本発明の第三の構成の振動テーブルの一例を示す斜視図である。テーブル面がθ方向に角振動する構成になっている。
図７に示す振動テーブル１は、ステンレス製のブロック２そして積層型圧電素子３から構成している。ステンレス製のブロック２は、加工装置に取り付けるためのボルト穴４を４箇所に設けている。ブロック２は放電加工によって作成する。また、強制振動による変位量を大きくするため薄肉部８を設ける。さらに積層型圧電素子３を固着する固着部６と積層型圧電素子３の変位を受ける可動固着部５を設ける。なお、積層型圧電素子３を可動固着部５と固着部６に固着する方法については、エポキシ樹脂を用いたが、ネジによる機械的固定方法でも良い。

つぎにこの振動テーブル１の運転方法について説明する。積層型圧電素子３に時間的に変化する電圧を印加する。電圧の印加方法については、第一の構成の振動テーブルで述べたものと同じである。
図の矢印のθ方向に振動させるには、積層型圧電素子３に時間的に変化する電圧を印加する。

このような非共振振動によるθ方向の振動は、そのまま加工対象物であるワークに伝播させることができるが、−方、同じθ方向の振動の励起する従来の捻り振動を用いた超音波振動テーブルは、ワークに伝播する振動は小さく、しかもワークの形状、材料により様々な振動モードに変化してしまう恐れがある。

本発明の第三の構成の振動テーブル１を平面研磨装置に用いた例を図８に示す。昇降シリンダ２３に本発明の第三の構成の振動テーブル１を取り付ける。そしてこの振動テーブル１に回転モータ２４を取り付けその回転軸２５にカップ状の砥石２６を取り付ける。一方、ワーク１７は回転テーブル２７に接合する。回転テーブル２７は回転軸２５が接続されている。

つぎにこの平面研磨装置の運転方法について説明する。振動テーブル１の積層型圧電素子３に時間的に変化する電圧を印加する。そして、回転モータ２４に電力を与え、回転軸２５を回転させカップ状の砥石２６を回転させる。また、回転軸２５を回転させ、回転テーブル２７を回転させ、ワーク１７を回転させる。ここで、図示はしていないが、ノズルからワーク１７に水を放射する。次に、昇降シリンダ２３を下げ、ワーク１７を研磨する。

振動テーブル１がθ方向に振動することにより、カップ状の砥石２６にθ方向の加速度を与えることができるので加工速度を向上させることができる。

振動テーブルとしてＸ、Ｙ、Ｚおよびθ方向の振動を行わせることも可能である。本発明の第一の構成の振動テーブルはＺ方向の振動であり、本発明の第二の構成の振動テーブルは、Ｘ、Ｙ方向の振動であり、本発明の第三の構成の振動テーブルは、θ方向の振動の振動であるので、これらを積み上げればＸ、Ｙ、Ｚおよびθ方向の振動をする振動テーブルとして構成できる。
また、本発明の第一の構成、第二の構成、第三の構成を組み合わせれば所望の振動運動する振動ステージが構成できる。

図９は、本発明の第四の構成の振動テーブル１の一例を示す斜視図である。テーブル面が、積層型圧電素子３の変位方向と同じ高さ方向に縦振動する構成になっている。
ステンレス製のベース台１４に積層型圧電素子３をエポキシ樹脂で固着し、その上に同じくステンレス製のテーブル１５を載せたものである。積層型圧電素子３とステンレス製のテーブル１５の接合はエポキシ樹脂を用いる。

つぎにこの振動テーブル１の運転方法について説明する。積層型圧電素子３に時間的に変化する電圧を印加する。電圧の印加方法については、第一の構成の振動テーブルで述べたものと同じである。

この構成では積層型圧電素子３を多数個容易に設置できるので、振動パワーを大きくできる。このため、振動テーブルに載せるワーク等の重量が大きいときには最適な構成となる。また非共振振動であるので、テーブルに載せたワークにほぼそのままの振動が伝播する。

本発明の第四の構成の振動テーブルをプラズマＣＶＤ装置に設置する。プラズマＣＶＤ装置を作動させ、テーブル上に載せた基板に薄膜を形成する。その際、振動テーブルの積層型圧電素子３に時間的に変化する電圧を印加するこのような振動を基板に与える基板に形成される薄膜の膜質が向上する。基板に振動を与えると薄膜の膜質が向上する効果があることは、特開２００３−８２４６３「被膜形成方法」でも述べている。

以上述べたように本発明の振動テーブルは、振動テーブル表面にほぼ均一の大きさの振動が励起できるので、この面に保持固定されるワークにも場所によらず、ほぼ均一の大きさの振動が伝播する。その結果、振動テーブルに保持固定されるワークの位置及びワークの大きさにほぼ影響を受けることなく、前記保持固定されたワークの加工速度の向上と難加工材料の加工が可能となる。
また、本発明の振動テーブルは、薄型が可能であるため、ほとんどすべての半導体装置を含め加工装置に設置することができる。
さらに、本発明の振動テーブルは、非共振状態で振動させるため、ワークにより振動数を選択することができる。

本発明の振動源として積層型圧電素子を用いて説明してきたが、同じ機能を持つ超磁歪材料を用いた素子でも可能である。超磁歪材料については、例えば「超音波便覧」（丸善株式会社、１９９９年、ｐ８１〜ｐ９１）詳しい記載がある。

本発明の振動テーブルは、半導体装置を含む機械加工設備などにおいて使用される加工テーブルとして用いることができる。

本発明の第一の構成の振動テーブルの１例の構成を示す斜視図である。 本発明の第一の構成の振動テーブルに用いる積層型圧電素子の斜視図である。 本発明の第一の構成の振動テーブルを使用したドリル装置を示す側面図である。 本発明の第二の構成の振動テーブルの一例を示す斜視図である。 積層型圧電素子に印加する電圧波形を示す図である。 本発明の第二の構成の振動テーブルを用いたインクジェット装置を示す斜視図である。 本発明の第三の構成の振動テーブルの一例を示す斜視図である。 本発明の第三の構成の振動テーブルを用いた平面研削盤を示す側面図である。 本発明の第四の構成の振動テーブルの一例を示す斜視図である。 従来の超音波振動テーブルを示す側面図である。

符号の説明

１ 振動テーブル
２ ブロック
３ 積層型圧電素子
４ ボルト穴
５ 可動固着部
６ 固着部
７ 切り欠き部
８ 薄肉部
９ 不活性部
１０ 分極部
１１ 内部電極
１２ 外部電極
１３ 絶縁体
１４ ベース台
１５ テーブル
１６ 昇降装置
１７ ワーク
１８ ドリル
１９ 回転装置
２０ 基板
２１ インクジェト装置
２２ 溶液
２３ 昇降シリンダ
２４ 回転モータ
２５ 回転軸
２６ 砥石
２７ 回転テーブル

Claims (7)

1. 加工装置に取り付けられ加工されるワークを固定保持するテーブル装置において、テーブルに積層型圧電素子を取り付け、積層型圧電素子に電圧を印加することによりテーブル装置を振動させることを特徴とする振動テーブル装置。
2. 前記積層型圧電素子に印加する電圧が、１秒間に１００回以上かつ１５０００回以下変化することを特徴とする請求項１に記載の振動テーブル装置。
3. 積層型圧電素子の変位方向がテーブル面に垂直であることを特徴とする請求項１に記載の振動テーブル装置。
4. 積層型圧電素子の変位方向がテーブル面に平行であることを特徴とする請求項１に記載の振動テーブル装置。
5. テーブル面に垂直方向に振動する振動テーブル装置、テーブル面に平行方向に振動する振動テーブル装置、テーブル面に中心軸に対して角振動する振動テーブル装置のすべてまたは２個を組み合わせて使用することを特徴とする請求項１に記載の振動テーブル装置。
6. 前記請求項１から請求項５に記載のいずれかの振動テーブル装置に機械加工装置を取り付けることを特徴とする機械加工装置。
7. 前記請求項１から請求項５に記載のいずれかの振動テーブル装置を半導体加工装置に取り付けることを特徴とする機械加工装置。

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