JP2008018520A

JP2008018520A - 超音波研磨装置

Info

Publication number: JP2008018520A
Application number: JP2006217525A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2008-01-31

Abstract

【課題】被加工物の加工精度、加工品質を向上させ、かつ切削工具の長寿命化する研磨装置および加工方法を提供する。
【解決手段】回転軸６の一部はケース１４に収められ、ケース１４内には図示しない軸受け、モータなどが収納されている、ケース１４には固定側ロータリートランス１１ａが取り付けられている。そして回転軸６にナット１７で固定されたフランジ５に回転側ロータリートランス１１ｂが取り付けられている。フランジ５には保持装置４がネジにより固定されている。また、保持装置４には弾性体２が同じくネジにより取り付けられている。弾性体２には砥石１が接着剤を用いて接合されている。
【選択図】図２

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。
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

従来の超音波研磨装置について図７の上方からの平面図と、図８の側面図を用いて説明する。加工テーブル８は加工テーブル８上に記した矢印方向に図示しないモータで移動する。また、加工テーブル８上には磁性ステンレス製のワーク固定具９が電磁力により固定保持されている。そしてワーク固定具９にはワックスによりワーク１０が固定されている。そして、ケース１４内には回転軸６、図示しない軸受けそしてモータが収納されている。回転軸６には保持装置４であるステンレス製の円板が接合されている。ステンレス製の円板には超音波振動砥石が図示しないネジにより固定されている。

保持装置４であるステンレス製の円板の上部には回転側ロータリートランス１１ｂ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１４に固定側ロータリートランス１１ａがある。固定側ロータリートランス１１ａにはリード線１２により超音波発振器１７が接続されている。なお、回転側ロータリートランス１１ｂと圧電セラミック３を接続しているリード線は図面を簡単化するために図示しない。

超音波振動砥石の詳細について図９の分解斜視図と図１０の組み立てた側面図を用いて説明する。まず、回転軸６に図示しないネジにより保持装置４を固定する。保持装置４は、超音波振動砥石側に複数の突起１６を持ち、その突起１６には図示しないメネジも設けられている。砥石１を接合した弾性体２に突起１６と同数の貫通孔１８が設けられている。そして、図９の下方から図示しないネジを貫通孔１８を通して突起１６に設けられたメネジとにより超音波振動砥石を保持装置４に固定する。

超音波振動砥石は、弾性体２に圧電セラミック３を接合し、その弾性体２に砥石１を接合したものである。砥石１はビトリファイド砥石と呼ばれるものでダイヤモンド砥粒の平均粒度は１０００番であり、μｍで表現するとその平均粒度は１８〜１４．５μｍである。平均粒度を小さくすると砥石１とワーク１０との摩擦力が大きくなる。このため、５０μｍ以下の平均粒度の砥石１には特に超音波研磨が有効である。

次にこの超音波研磨装置の運転方法について図７、図８を用いて説明する。まず、加工テーブル８にワーク１０であるリチウムナイオベイト基板を接着したワーク固定具９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モータにより合わせる。次に図示しない回転軸駆動用のモータを起動して回転軸６を回転させ、超音波振動砥石を回転する。次いで加工テーブル１０をモータにより移動する。これと同時に図示しない切削水を噴出する。そして、超音波発振器１３の電源を入れて固定側ロータリートランス１１ａ、回転側ロータリートランス１１ｂを介して弾性体２に接合した圧電セラミック３に超音波交流電圧を印加する。再度モータの電源を入れて加工テーブル８を超音波振動砥石方向に移動させ、ワーク１０であるリチウムナイオベイト基板を研磨する。そして、この超音波研磨装置を用いて加工することにより、通常の研磨装置に比較して加工精度を２倍以上に、そして砥石の消耗量を半分以下にすることができる。

しかし、上記の構成は、超音波振動砥石を用いるものであり、超音波振動砥石を構成する弾性体に圧電素子を接合している。したがって、超音波振動砥石が消耗したときには、高価な圧電素子も一緒に廃棄しなければならない。このため、加工コストが高くなってしまうという問題点がある。

本発明の目的は、低コストで優れた研磨面精度と研磨速度を実現する超音波研磨装置を提供することにある。

本発明は、超音波研磨装置に使用される砥石を回転軸に取り付けるための保持装置に圧電素子を有するものである。

本発明はまた、前記保持装置が回転軸方向に互いに平行な２個の平板を持ち、かつ砥石側の平板に圧電素子を接合するものである。

本発明の超音波研磨装置および加工法は、低コストで加工品質を高め、砥石の消耗量を小さくできる。

本発明の実施の形態について説明する。著音波研磨装置は、従来の装置と同様であるので省略した。ここでは、回転軸６に超音波振動する砥石１を取り付けた構成について詳しく述べる。図１の側面図、図１のＡ−Ａ線での断面を示す図２により保持装置４に圧電素子を有する構成を主に説明する。

回転軸６の一部はケース１４に収められ、ケース１４内には図示しない軸受け、モータなどが収納されている、ケース１４には固定側ロータリートランス１１ａが取り付けられている。そして回転軸６にナット１７で固定されたフランジ５に回転側ロータリートランス１１ｂが取り付けられている。フランジ５には保持装置４がネジにより固定されている。また、保持装置４には弾性体２が同じくネジにより取り付けられている。弾性体２には砥石１が接着剤を用いて接合されている。

保持装置４の詳細を図３の側面図、図３のＡ−Ａ線での断面を示す図４を用いて説明する。保持装置４は、平行なアルミ製円環の２個とこれを連結する薄いリング形状のアルミ製の管からなっている。この製造方法は、たとえば、リング状のアルミを機械加工により中央部を溝加工して、円環とリング形状の管を一体にした断面がコ字状のリングを作成する。次にコ字状の底部に圧電セラミック３をエポキシで接合する。さらに、他方の円板をエポキシ樹脂により接合する。

一方の円板にはフランジに取り付けるための取り付けネジ穴１５ｅ、１５ｆ、１５ｇ、１５ｈが設けられている。また他方の円板には弾性体２と接合するための取り付けネジ穴１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄが設けられている。

図３に示した矢印は、超音波発振器から圧電セラミック３に交流電圧が印加されたときの振動方向を示している。保持装置４の中心軸を中心として拡縮振動する。フランジ面と接触する円板は振動の支持端となり、他方の円板と接続する外周、内周のリングは振動のアームとなるので弾性体２と接触する円板の振動を効率よく励起できる。なお圧電セラミック３を板厚方向に分極されている。

保持装置４を回転軸６に接続するためのチタン製のフランジ５の詳細を図５の平面図、図５のＡ−Ａ線での断面を示す図６を用いて説明する。フランジ５には回転軸６と嵌め合うテーパー孔１９が設けられている。そして保持装置４を取り付けるための段差のある貫通孔１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄも設けられている。

次にこの超音波研磨装置の運転方法について説明する。保持装置４以外は図７、図８で示した超音波研磨装置とほぼ同じ構成であるのでこれを用いた説明する。まず、加工テーブル８にワーク１０であるリチウムナイオベイト基板を接着したワーク固定具９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モータにより合わせる。次に図示しない回転軸駆動用のモータを起動して回転軸６を回転させ、砥石１を回転する。次いで加工テーブル１０をモータにより移動する。これと同時に図示しない切削水を噴出する。そして、超音波発振器１３の電源を入れて固定側ロータリートランス１１ａ、回転側ロータリートランス１１ｂを介して図３の保持装置４の圧電セラミック３に超音波交流電圧を印加する。再度モータの電源を入れて加工テーブル８を砥石１方向に移動させ、ワーク１０であるリチウムナイオベイト基板を研磨する。そして、この圧電素子を有する保持装置４を用いた超音波研磨装置を用いて加工することにより、通常の研磨装置に比較して加工精度を２倍以上に、そして砥石の消耗量を半分以下にすることができる。

上記では、保持装置４に円板の拡がり振動モードを励起したが、もちろん他の振動モードでもよく例えば、面方向に垂直に変位する曲げ振動モードも用いることができる。また例えば、拡がり振動モードと曲げ振動モードの複合振動も用いることができる。

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、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用いられる。

本発明の保持装置を用いた砥石などを示す側面図である。図１に示すＡ−Ａ線での断面を示す図である。保持装置の詳細を示す側面図である。図３に示すＡ−Ａ線での断面を示す図である。フランジの詳細を示す側面図である。図５のＡ−Ａ線で切断した断面図である。従来の超音波振動砥石を用いた研磨装置を説明する平面図である。図７の側面図である。従来の保持装置と超音波振動砥石の分解斜視図である。図９の構成を組み立てた側面図ある。

符号の説明

１砥石
２弾性体
３圧電セラミック
４保持装置
５フランジ
６回転軸
７被研磨物
８加工テーブル
９ワーク保持具
１０ワーク
１１ロータリートランス
１２リード線
１３超音波発振器
１４ケース
１５取り付けネジ穴
１６突起
１７ナット
１８貫通孔
１９テーパー孔

Claims

超音波研磨装置に使用される砥石を回転軸に取り付けるための保持装置に圧電素子を有することを特徴とする。
前記保持装置が回転軸方向に互いに平行な２個の平板を持ち、かつ砥石側の平板に圧電素子を接合していることを特徴とする。