JP2007125682A

JP2007125682A - カップ型砥石及び超音波研磨装置

Info

Publication number: JP2007125682A
Application number: JP2005344602A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2007-05-24

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】円環状の弾性体２は、砥石を保持する砥石保持部２５と回転円板１４に接続する回転円板接続部２６から構成されている。砥石保持部２５と回転円板接続部２６は図示しないネジにより接合する。砥石保持部２５に設けた穴に砥石をエポキシ樹脂により接合する。砥石１の加工面と反対側の面に圧電セラミック製の圧電素子１２をエポキシ樹脂により接合する。
【選択図】図６

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、円環状の研磨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。さらにそして、加工速度が倍以上になることも非特許文献２に詳しく記載されている。

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、スラリ供給手段と接続構成されたパイプよりスラリ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日本電子機械工業会、「超音波工学」、株式会社コロナ社、１９９３年、ｐ２１８−２２９

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砥石の先端に少なくとも５μｍ以上の振動変位を得ることを目的としているが、振動変位が１μｍ以上では、加工対象物に損傷を与えてしまう。

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。

リング形状の砥石あるいはリング状に配列したペレット型の砥石を有し、被研磨基板を研磨するカップ砥石において、砥石に直接圧電素子を接合するカップ型砥石であり、前記圧電素子に１００ＫＨｚ以上の超音波交流電圧を印加する超音波研磨装置とするものである。

リング形状の砥石あるいはリング状に配列したペレット型の砥石を有し、被研磨基板を研磨するカップ型砥石において、砥石と圧電素子をより安定に接合するための接合台を持ち、この接合台は砥石と圧電素子とのみ接触しているカップ型砥石であり、前記圧電素子に１００ＫＨｚ以上の超音波交流電圧を印加する超音波研磨装置とするものである。

本発明の超音波研磨装置は、円環状の弾性体にリング形状の砥石あるいはリング状に配列したペレット型の砥石だけに超音波振動を付与することができるので、研磨軸など不要な部材に超音波振動を伝達することがないので、超音波振動を効率よく且つ安定にリング形状の砥石あるいはリング状に配列したペレット型の砥石に付与することができる。このため、本発明の超音波研磨装置は、優れた研磨性能を安定して示す。

本発明の超音波研磨装置はまた、１００ＫＨｚ以上の超音波振動をリング形状の砥石あるいはリング状に配列したペレット型の砥石に印加する。このときの砥石先端の振動変位は、１μｍ未満であり、かつ振動加速度は大きい。したがって、振動変位に起因する砥石の振動変位による被研磨基板の損傷はほとんとない。

本発明の超音波研磨装置はまた、１００ＫＨｚ以上の超音波振動をリング形状の砥石あるいはリング状に配列したペレット型の砥石に印加する。このときの砥石先端の振動変位は、１μｍ未満であり、かつ振動加速度は大きい。したがって、被研磨基板の加工面精度は大きく改善できる。

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。

図３の側面図で実施の形態を示す。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。

一方、リング形状の砥石１を接合した円環状の弾性体２は、弾性体２を回転させるための回転円板１４に図示しないボルトにより接続されている。回転円板１４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モータカーバー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。

砥石１を接合した円環状の弾性体２および回転円板１４に接合した回転側のロータリートランス１５ａは研磨軸に接続され、研磨軸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タンク１９よりパイプ２０を通してスラリ４が噴出するように配置されている。

図３で用いている砥石１を接合した弾性体２して構成したカップ型砥石１について図５の斜視図そして図５のＡ−Ａ線での断面図である図６を用いて詳細に説明する。

円環状の弾性体２は、砥石を保持する砥石保持部２５と回転円板１４に接続する回転円板接続部２６から構成されている。砥石保持部２５と回転円板接続部２６は図示しないネジにより接合する。砥石保持部２５に設けた穴に砥石１をエポキシ樹脂により接合する。砥石１の加工面と反対側の面に圧電セラミック製の圧電素子１２をエポキシ樹脂により接合する。なお圧電素子は、リチウムナイオベイト、水晶などの単結晶材料でも良い。

ここに用いている圧電セラミック製の圧電素子１２の詳細を図７の平面図と図８の側面図で示す。図中の矢印は分極方向を示す。本例では、厚み方向の振動を用いるので、厚さ方向の寸法が２ｍｍであるので、約１ＭＨｚの超音波交流電圧を圧電セラミック製の圧電素子１２に印加する。圧電セラミックは、リング状の砥石の外径よりも大きく、内径は小さい。砥石の外径以上、内径以下の寸法の円弧状又は円環状の圧電セラミックの形状が、砥石に超音波エネルギーを多く入力するために望ましい。

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タンク１９よりパイプ２０を通してスラリ４が噴出させる。そして、超音波発振器１７をオンし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を介して弾性体２に超音波交流電圧を印加する。次にモータをオンして砥石１を回転させ、リチウムナイオベイト基板を研磨する。

圧電セラミック製の圧電素子１２に約１ＭＨｚの超音波交流電圧を印加したときの砥石１の先端の振動変位は約０．０５μｍであった。そのときの砥石の磨耗量は、超音波振動を印加しないときに比較して約１／５であり、加工対象物の加工面の傷は超音波振動を印加しないときに比較して大きく改善された。また研磨速度は、超音波振動を印加しないときに比較して約２倍になった。

本発明の超音波研磨装置は、ほぼ砥石だけに超音波振動を集中しているため、研磨軸を回転自在に保持している軸受けなどに超音波振動による損傷を与える恐れを無くすことができる。

さらに本発明の超音波研磨装置は、弾性体に接合した圧電セラミックにロータリートランス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。

砥石のサイズが小さくなると、圧電セラミックを砥石に強固に接合することが困難になる。そのときは、図９の平面図、図９のＡ−Ａ線での断面である図１０で示す構成が望ましい。

円環状の弾性体２は、リング状に配列したペレット型の砥石１を保持する砥石保持部２５と回転円板１４に接続する回転円板接続部２６から構成されている。砥石保持部２５と回転円板接続部２６は図示しないネジにより接合する。砥石保持部２５に設けた穴にペレット型の砥石１をエポキシ樹脂により接合する。砥石１の加工面と反対側の面にアルミ製の接合台１３をエポキシ樹脂により接合する。砥石１と接合するアルミ製の接合台１３には砥石１の一部を埋める溝が設けてある。そしてその接合台１３と圧電セラミック製の圧電素子１２をエポキシ樹脂により接合する。

このように接合台１３を用いることで、砥石１サイズが小さくなっても、信頼性が高い、砥石と圧電セラミックの接合が可能となる。ここで、接合台１３は、弾性体２とは接触していない。もし、接触すると超音波振動が弾性体２に伝播して、砥石１に伝播させる超音波振動が減少するからである。

従来の超音波研磨装置は、弾性体２に圧電素子を接合して、約５０ＫＨｚ以下の超音波振動を用いている。弾性体２に約５０ＫＨｚより高い超音波振動を印加すると、砥石に所望の振動を与えるための振動モードを作り出すことが困難になるからである。また、１００ＫＨｚ以上の超音波振動は伝播ロスが大きく、大きな弾性体に圧電素子を接合しても、有効に砥石に伝播しないからである。以上の理由により砥石に直接圧電素子を接合しなければならない。

砥石１のサイズが大きくなり、これに接合する圧電セラミックのサイズが大きくなっても、１００ＫＨｚ以上の超音波振動を用いる。もし、１００ＫＨｚ未満の超音波振動を用いると研磨速度が向上し、砥石の磨耗も減少するが、加工対象物の研磨面に超音波振動を印加しないときに比較してより大きな傷を発生させる。この欠点により、従来の１００ＫＨｚ未満の超音波振動研磨機は実用化できなかった。

本発明は砥石に直接圧電素子を接合することにより、１００ＫＨｚ以上の超音波振動でも、伝播ロスを小さくして砥石先端に超音波振動を励起することができる。このため、従来は効果がないと言われていた１００ＫＨｚ以上の超音波振動により顕著な効果を発揮することができた。

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１を接合した弾性体２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。図３に用いた圧電セラミックを示す平面図である。図７の圧電セラミックの側面図である。接合台を用いて砥石１と弾性体２を接合した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。

符号の説明

１研磨砥石
２弾性体
３研磨軸
４スラリ
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接合台
１４回転円板
１５ロータリートランス
１６リード線
１７超音波発振器
１８研磨砥石回転軸
１９スラリタンク
２０パイプ
２１モータカーバー
２２フェライト
２３コイル
２４取付け孔
２５砥石保持部
２６回転円板接合部

Claims

リング形状の砥石あるいはリング状に配列したペレット型の砥石を有し、被研磨基板を研磨するカップ砥石において、砥石に直接圧電素子を接合することを特徴とするカップ砥石。
前記圧電素子に１００ＫＨｚ以上の超音波交流電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の超音波研磨装置。
リング形状の砥石あるいはリング状に配列したペレット型の砥石を有し、被研磨基板を研磨するカップ砥石において、砥石と圧電素子をより安定に接合するための接合台を持ち、この接合台は砥石と圧電素子とのみ接触していることを特徴とするカップ砥石。
前記圧電素子に１００ＫＨｚ以上の超音波交流電圧を印加することを特徴とする請求項３に記載の超音波研磨装置。