JP2008055589A

JP2008055589A - 研磨装置に用いる砥石

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Publication number: JP2008055589A
Application number: JP2006261439A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2008-03-13

Abstract

【課題】砥石の消耗量が小さく、かつ被研磨物を高精度且つ高速で研磨できる研磨装置を提供する。
【解決手段】砥石１を接合したアルミ製のリング状の弾性体２の上部の表面に６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。さらに１ＫΩの抵抗１７を圧電セラミック１２の電極間にリード線２７により接続する。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。ここに用いた圧電セラミック１２は円弧状の形状であり、そして板厚方向に分極されている。
【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、研磨する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は、１ＫＨｚ以下で通常５μｍ以上の振動変位を励起するために用いられているが、５μｍ以上の大きな振動変位は、砥石の消耗が大きく、しかも加工面精度も低下する傾向にある。

本発明の目的は、砥石の消耗量を小さくする研磨装置を提供することにある。

研磨装置に使用する切削工具として、砥石を接合した弾性体に、圧電素子を接合し、前記圧電素子の電極間に抵抗を接続するものである。

前記弾性体に接合された砥石の平均粒度が５０μｍ以下であるものとすることである。

本発明の研磨装置は、不要振動を減衰させることにより砥石の消耗量を小さくすることができる。

本発明の研磨装置はまた、不要振動を減衰させることにより、砥石と被研磨物との望ましくない接触を小さくできるので、被研磨物と砥石の温度の上昇も小さくできる。この効果により、研磨面精度を高めることができる。そして研磨速度も向上させることができる。

本発明の実施の形態について図３の側面図を説明する。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。加工テーブル回転軸１１は、ケース２１の中に収納された図示しないモータに接続されている。マグネットチャックを有する加工テーブル１０上に、たとえば鋼製のワーク保持台１３にホットメルトワックスを用い接着した被研磨物７であるリチウムナイオベイト基板を電磁力により保持固定する。

砥石１、圧電セラミック１２及び抵抗１７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。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８００番であり、μｍで表現するとその平均粒度は１８〜２２μｍである。平均粒度を小さくすると砥石１と被研磨物７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には特に切削抵抗が問題になる場合が多い。

回転円板１４と砥石１、圧電セラミック１２及び抵抗１７を接合した円環状の弾性体２の詳細な斜視図を図４に示す。回転円板１４には、突起１６が設けられ突起１６を通る穴２０が設けられている。そして弾性体２にはネジ穴２３が設けられている。

図５は、回転円板１４に取り付けた弾性体２を砥石回転軸１８にボルト１５により取り付けた状態を示す側面図である。まず、弾性体２のネジ穴２３と回転円板１４の突起１６の穴２０を合わせボルト１５により締め付け一体化する。砥石回転軸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の上方位置にパイプ１９を通して切削水２２が噴出するように配置されている。また砥石１にも砥石回転軸１８の中心部を通り、切削水２２が吹き付けられている。

図３に示した砥石１、圧電セラミック１２及び抵抗１７を接合した弾性体２の詳細を図６の平面図に、そして図６のＡ−Ａ線での断面図である図７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の上部の表面に６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。さらに１ＫΩの抵抗を圧電セラミック１２の電極間にリード線２７により接続する。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には６個のネジ穴２３を設ける。この６個のネジ穴２３は回転円板１４に取り付けるためのものである。

ここに用いた圧電セラミック１２は円弧状の形状であり、そして板厚方向に分極されている。

この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ワーク保持台１３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。これと同時にパイプ１９を通して切削水２２を噴出させる。また砥石回転軸１８の中心部を通り切削水２２を砥石１に当てる。次にモータの電源を入れて砥石１を毎分３０００同転させ、リチウムナイオベイト基板を研磨する。そして、切込み量を０．０２ｍｍとした。

本研磨条件での砥石の消耗量は、約７μｍであった。また、前記の抵抗を１００ＫΩにしたものは、砥石の消耗量は、ほぼゼロであった。さらに抵抗を１ＭΩにしたものは約４７μｍであった。

また、抵抗を取り除いたものの砥石の消耗量は、約１７μｍであった。そして、通常の砥石１だけ接合した円環状の弾性体２を用いた研磨では、砥石の消耗量は約２０μｍであった。

このように、弾性体２に圧電セラミック１２を接合し、さらにその圧電セラミック１２に抵抗を接続することにより砥石の消耗量を、通常の方法に比較して大幅に改善することができた。

さらに、加工面の表面粗さについて測定した。ここで表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）を用いる。抵抗が１ＫΩであるときは、０．０６μｍ、１００ＫΩであるときは、０．２４μｍ、１ＭΩであるときは０．０８μｍであった。また、抵抗を取り除いたものの砥石のＲａは、ほぼ０．０９μｍであった。そして、通常の砥石１だけ接合した円環状の弾性体２を用いた研磨では、Ｒａは０．０７μｍであった。このように表面粗さについても抵抗値により、調整できる。

円環状の弾性体２に接合した圧電セラミック１２の電極間に抵抗１７を接続するときの効果について考察する。砥石により被研磨物を研磨する際、砥石と被研磨物は、接触し、砥石に不要な振動を発生させる。この不要な砥石の振動は、被研磨物と不要な接触をさせる。このことにより砥石の磨耗は大きくなると考えられる。そこで、この不要な振動を減衰させれば、砥石の消耗量を小さくできることになると考察できる。

図８は、抵抗として、電気抵抗の高いインクを圧電セラミックの電極間に印刷し、さらに焼き付けた抵抗膜２４ものである。このようにすると抵抗膜の質量が非常に小さいため回転バランスを改めて取る必要がない。

図９は図８に示した圧電セラミックの詳細を示す平面図である。圧電セラミックは厚さ方向に分極されており、かつ表面と裏面に銀電極が設けられている。また、裏面から表面に側に折り返し電極２５が設けられている。もちろん、裏面電極と折り返し電極は連結している。この裏面の電極からの折り返し電極２５は、表面で抵抗を接続、または抵抗インクを印刷するのに都合がよい。この表面に出た折り返し電極２５と表面電極２６を抵抗インクによる抵抗膜２４で接続する。

本発明の研磨装置はまた、従来の研磨装置に市販の弾性体２に砥石を接合した構成に圧電セラミック１２と抵抗を接合するだけでよい。したがって、安価なコストで研磨装置を提供することができる。

上記の実施の形態では、研磨装置に使用される砥石について説明した。砥石は、工作物の形状に応じていろいろな形のものが用いられる。研削を行うためには、工作物の形状に応じて円筒研削盤、内面研削盤、心なし研削盤、平面研削盤などがあり、本発明はこれらの砥石に用いることができる。

また、上記の実施の形態では、複数の圧電セラミックの形状を円弧状としたが、もちろん１個の円環状としてもよい。

さらに、上記の実施の形態では、圧電素子として、圧電セラミックを用いたが、例えばポリフッ化ビニリデンのような高分子圧電材料を用いてもよい。また、スパッタなどの方法によりＰＺＴなどの圧電薄膜を作成して用いてもよい。

本発明の研磨装置は、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。

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。回転円板と弾性体の詳細を示す斜視図である。回転円板と弾性体をボルトにより組み立てた側面図である。図３の砥石などの詳細を示す平面図である。図４のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図４の構成において抵抗を膜状としたものを示す平面図である。圧電セラミックスの電極の詳細を示す平面図である。

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ワーク保持台
１４回転円板
１５ボルト
１６突起
１７抵抗
１８砥石回転軸
１９パイプ
２０孔
２１ケース
２２切削水
２３ネジ穴
２４抵抗膜
２５折り返し電極
２６表面電極
２７リード線

Claims

研磨装置に使用する切削工具として、砥石を接合した弾性体に、圧電素子を接合し、前記圧電素子の電極間に抵抗を接続することを特徴とする。
砥石の平均粒度が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。