JP2007245325A - 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】 超音波研磨装置に用いる超音波振動を付与する砥石は以下のように作成する。まず、アルミ製のリング状の弾性体２の外周を切削し段差部を設け、圧電セラミック１２を２４個エポキシ接着剤を用いて接合する。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。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は回転円板に取り付けるためのものである。そして、２４個の圧電セラミック１２の中心線のほぼ真下の位置の弾性体２に溝を設け、その溝に円環状の砥石の一部を入れエポキシ樹脂を用いて接合する。隣り合う圧電セラミック１２の間隔は、約２ｍｍ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−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、圧電セラミックが砥石のほぼ上の弾性体に接合され、その圧電セラミックの高さが、幅より大きいことを特徴とする。

砥石の外径が７０ｍｍ以下であり、かつ前記圧電セラミックの長さが、圧電セラミックの高さに比較して小さいものとすることである。

砥石の外径が７０ｍｍより大きく、かつ前記圧電セラミックの長さが、圧電セラミックの高さの２倍より大きいことをものとすることである。

弾性体に接合した圧電セラミックに超音波交流電圧を印加するための手段としてロータリートランスを用い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、砥石に効率よく縦振動を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、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また、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。

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について説明する。図３の側面図は本発明の弾性体２に圧電セラミック１２を接合し、その弾性体２に砥石１を接合した構成を用いたものである。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。

一方、砥石１と圧電セラミック１２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と圧電セラミック１２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と圧電セラミック１２を接合した弾性体２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の外周を切削し段差部を設け、そこに２４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。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。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は回転円板に取り付けるためのものである。

２４個の圧電セラミック１２の中心線のほぼ真下の位置の弾性体２に溝を設け、その溝に円環状の砥石の一部を入れエポキシ樹脂を用いて接合する。隣り合う圧電セラミック１２の間隔は、約２ｍｍである。

ここに用いた圧電セラミック１２の詳細を図７の平面図と図８の側面図を用いて説明する。圧電セラミック１２は高さＨ、幅をＷそして、外側と内側の円弧の中心線の長さをＬとする。ここでＨはＷより大きく、かつＨはＬより大きい。また圧電セラミック１２の分極方向は図８の矢印で示すようにＨ方向にする。一例として、Ｈが１０ｍｍ、Ｗが５ｍｍそして、Ｌが７ｍｍであった。このような小型の圧電セラミック１２を用いるので砥石１の外径が７０ｍｍ以下の小型砥石に適している。

また、圧電セラミックを製造する際には、円弧状の形状は製造コストが高くなるので、製造コストの安価な矩形状の形状がよい。したがって、図９に示す形状でも使用できる。そしてＨ、Ｗ、Ｌの関係は式１、式２で示すものである。

上記の関係を式で表すと式１そして式２になる。

式１

Ｗ＜Ｈ

式２

Ｌ＜Ｈ

また、圧電セラミックの高さＨは、分極方向をＨ方向であるので、分極できる寸法を考慮すると最大でも１５ｍｍ、好ましくは１０ｍｍ以下が望ましい。

圧電セラミック１２の形状と分極方向は所望の振動モードを得るためのものである。所望の振動モードとは、高さＨ方向の振動である。このためには、式１と式２の関係が望ましい。そして分極方向はＨ方向であることが、電気機械結合係数の高い縦効果を利用するために望ましい。電気機械結合係数については非特許文献２に記載されている。

内野研二、「圧電／電歪アクチュエータ」、森北出版株式会社、１９８６年、ｐ１０８−１１０

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が噴出させる。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を介して弾性体２に接合した圧電セラミック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。

ここで圧電セラミック１２に超音波交流電圧を印加したときの砥石１の振動について説明する。圧電セラミック１２は、電気機械結合係数の高い縦効果により、図８の矢印方向に振動する。この振動はアルミ製のリング状の弾性体２に伝播し、さらに砥石１に伝播する。砥石１は、縦振動するので、砥石１内での振動損失は他の振動モードに比較して小さい。そして、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、圧電セラミック１２の縦効果による縦振動により圧電セラミック１２とその下のごく限られた弾性体２の部分及び砥石１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砥石１に付与することができる。さらに超音波振動の周波数が大きくなるに従い直進性が高くなるので、圧電セラミック１２に印加する電圧の周波数が１００ＫＨｚ以上であることが望ましい。

また、本発明の超音波研磨装置は、弾性体２に接合した圧電セラミック１２に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。

フェライト製のロータリートランス１５は、外径１００ミリ以上になると、毎分１万回転以上の高速回転になると機械的強度に不安が生じるので、図１１の平面図とそのＡ−Ａ線で切断した断面図である図１２の構成が必要となってくる。

フェライト製のロータリートランス１５を非磁性ステンレスのケース２５に入れることで、高速回転においても、構造的な不安を解消することができる。また、フェライト製のロータリートランス１５とケース２５の間には実際にはエポキシ樹脂がある。

本発明の超音波研磨装置はまた、市販の弾性体２に砥石接合した構成の外周を追加工し、その部分に圧電セラミック１２を接合するだけでよいので、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と圧電セラミック１２を弾性体２に接合した構成だけを述べる。

第二の実施の形態の砥石１などの詳細を図１３で平面図に、そして図１３のＡ−Ａ線での断面図である図１４を用いて説明する。

アルミ製のリング状の弾性体２の外周を切削し段差部を設け、１２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。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は回転円板１４に取り付けるためのものである。

１２個の圧電セラミック１２の中心線のほぼ真下の位置の弾性体２に溝を設け、その溝に円環状の砥石１の一部を入れエポキシ樹脂を用いて接合する。隣り合う圧電セラミック１２の間隔は、約３ｍｍである。

ここに用いた圧電セラミック１２の詳細を図１５の平面図と図１６の側面図を用いて説明する。圧電セラミック１２は高さＨ、幅をＷそして、外側と内側の円弧の中心線の長さをＬとする。ここでＨはＷより大きく、そしてＬはＨの２倍より大きくする。また圧電セラミック１２の分極方向は図１６の矢印で示すようにＨ方向にする。圧電セラミック１２の形状の一例として、Ｈが６．０ｍｍ、Ｗが４．５ｍｍそして長さが５８ｍｍのものがある。

また、圧電セラミックを製造する際には、円弧状の形状は製造コストが高くなるので、製造コストの安価な矩形状の形状がよい。したがって、図１０に示す形状でも使用できる。そしてＨ、Ｗ、Ｌの関係は式３で示すものである。

上記の関係を式で表すと式３になる。

式３

Ｗ＜Ｈ＜２／Ｌ

砥石の形状が外径７０ｍｍを越えるものであると、第一の実施の形態で述べた圧電セラミック１２の形状では、数が多くなりすぎ、電気配線が複雑になり、また弾性体２に接合する圧電セラミック１２の面積が小さくなり、接着力が不足して信頼性に乏しくなる。さらに、回転バランスを保つのが困難になる。

そこで、砥石の形状が外径７０ｍｍを越えるものでは、できるだけ縦振動成分を多く、使用する圧電セラミック１２の数を少なくするために式３の圧電セラミック１２の形状が望ましい。縦方向に振動する周波数では、高さＨに比較して幅Ｗを小さくすることでＷ方向には縦振動は生させない。そして長さＬを高さＨの２倍より大きくすることで、高さＨと長さＬ方向の固有振動数と大きく異ならせることで、高さＨの方向だけの振動を可能な限り励起させることができる。

第一の実施の形態と同じように、圧電セラミック１２は、電気機械結合係数の高い縦効果により、図１６の矢印方向に振動する。この振動はアルミ製のリング状の弾性体２に伝播し、さらに砥石に伝播する。砥石は、縦振動するので、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。

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の実施の形態の砥石を取り付けた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。 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。 図７に代わる矩形状の圧電セラミックを示す斜視図である。 図１５に代わる矩形状の圧電セラミックを示す斜視図である。 別の形態のロータリートランス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。 本発明の第２の実施の形態の砥石などを示す平面図である。 図１３の側面図である。 図３に用いた圧電セラミックを示す平面図である。 図１５の側面図である。

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 リード線
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 モータカーバー
２２ フェライト
２３ コイル
２４ 取付け孔
２５ ケース

Claims (4)

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圧電セラミックが砥石のほぼ上の位置で弾性体に接合され、かつ圧電セラミックの高さが、幅より大きいことを特徴とする。
2. 砥石の外径が７０ｍｍ以下であり、かつ前記圧電セラミックの長さが、圧電セラミックの高さに比較して小さいことを特徴とする請求項１に記載の超音波研磨装置。
3. 砥石の外径が７０ｍｍより大きく、かつ前記圧電セラミックの長さが、圧電セラミックの高さの２倍より大きいことを特徴とする請求項１に記載の超音波研磨装置。
4. 砥石に接合した圧電セラミックに超音波交流電圧を印加するための手段としてロータリートランスを用いることを特徴とする請求項１から請求項３に記載の超音波研磨装置。

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