JP2008110464A - Ultrasonic grinding device and grinding wheel used for the same - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to an ultrasonic polishing apparatus that polishes glass, silicon, ceramics, cemented carbide and metal materials using ultrasonic vibration, and a grindstone used for the apparatus.
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。 In order to polish an object to be polished such as glass, silicon, silicon nitride, rare earth magnet material, super hard metal, and metal material, a polishing apparatus having an annular grindstone is generally used.
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。 However, for semiconductor materials, magnetic materials, piezoelectric materials, optical materials, and the like, a polished surface with higher accuracy is required. Further, in order to reduce the manufacturing cost of metal materials and the like, it is required to increase the polishing rate.
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。 In order to satisfy these requirements, it has been proposed to use ultrasonic vibration. The use of ultrasonic vibration for machining has been conventionally performed. For example, a workpiece is cut while applying ultrasonic vibration to a tool such as a tool of a machine tool. Such a cutting method is called ultrasonic cutting, and is described in detail in
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。 FIG. 1 is a side view showing a configuration example of a conventional ultrasonic polishing apparatus described in
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。 An oblong groove is formed on the upper surface of the
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。 On the grinding surface (lower surface) side of the
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。
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。 However, the configuration of
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。 In addition, even with a laminated piezoelectric actuator, it is very possible to give a vibration of 1 micron or more to the
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。 An object of the present invention is to provide a polishing apparatus that realizes excellent polishing surface accuracy and polishing speed.
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、超音波ねじり振動子を用い、かつ砥石を接合した弾性体にスリットを有しているものとすることである。 According to the present invention, in an ultrasonic polishing apparatus that performs polishing using ultrasonic vibration, an ultrasonic torsional vibrator is used, and an elastic body to which a grindstone is bonded has a slit.
本発明はまた、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、砥石を接合した弾性体に超音波ねじり振動子を接合し、前記砥石を接合した弾性体にスリットを有するものである。 The present invention also provides an ultrasonic polishing apparatus that performs polishing using ultrasonic vibration, in which an ultrasonic torsional vibrator is bonded to an elastic body to which a grindstone is bonded, and the elastic body to which the grindstone is bonded has a slit. .
本発明はまた、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、超音波ねじり振動子を用い、回転円板にスリットを有するものとすることである。 Another object of the present invention is to use an ultrasonic torsional vibrator in an ultrasonic polishing apparatus that performs polishing using ultrasonic vibration, and to have a slit in a rotating disk.
本発明の超音波研磨装置は、ねじり振動モードを採用しているので、円周方向の加速度を高めることができる。さらにスリットにより、ねじり振動の一部を径方向の振動に変換できるので径方向の加速度も高めることができる。このため、本発明の超音波研磨装置は、研磨面精度および研磨速度を高めることができる。 Since the ultrasonic polishing apparatus of the present invention employs the torsional vibration mode, it can increase the acceleration in the circumferential direction. Furthermore, since a part of torsional vibration can be converted into radial vibration by the slit, radial acceleration can also be increased. For this reason, the ultrasonic polishing apparatus of the present invention can increase the polishing surface accuracy and the polishing rate.
本発明の超音波研磨装置はまた、小さな電力で所望の振動の大きさを得ることができる。したがって、省電力はもちろんであるが、砥石の温度の上昇も小さくできるので研磨面精度を高めることができる。 The ultrasonic polishing apparatus of the present invention can also obtain a desired magnitude of vibration with a small electric power. Therefore, not only power saving, but also the increase in the temperature of the grindstone can be reduced, so that the accuracy of the polished surface can be increased.
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。 Further, the ultrasonic polishing apparatus of the present invention greatly reduces the consumption of the grindstone, which helps to save resources and reduce manufacturing costs.
本発明の第一の実施の形態の超音波研磨装置を図3の側面図を用いて説明する。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。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。 The ultrasonic polishing apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the side view of FIG. There is a processing
超音波ねじり振動子25で構成されたスリーブ27は、砥石回転軸18にボルト28aにより取り付けられる。そして、砥石1を接合し、かつスリット26を有する円環状の弾性体2を、スリーブ27である超音波ねじり振動子25にボルト28bにより接合する。超音波ねじり振動子25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ケース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。 The
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。また、砥石回転軸18は図示しないモータに接続されている。 The details of the
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。 Further, the
図3、図4に用いた砥石1を接合し、スリット26を持つ弾性体2とスリーブ27である超音波ねじり振動子25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。 3 and FIG. 4, the details of the elastic
アルミ製のリング状の弾性体2の外周部に8個の溝を設け、さらに内部に4個の取付け孔24を設ける。この4個の取付け孔24はスリーブ27に取り付けるためのものである。スリーブ27は、中心部に砥石回転軸18に取り付けるためのテーパー穴を持つランジュバン型の超音波ねじり振動子25である。ランジュバン型の超音波ねじり振動子25は、アルミ合金製の弾性体2a、2bの間に圧電セラミック12a、12bを挟み、ボルト28aにより締め付けて構成する。 Eight grooves are provided in the outer peripheral portion of the ring-shaped
前記超音波ねじり振動子25の圧電セラミック12の詳細を図7の斜視図を用いて説明する。図7の矢印方向は分極方向を示している。交流電界を分極方向に垂直に印加することにより、分極方向と同じ矢印方向に振動することになる。ねじり振動子については非特許文献1に詳しく記述されている。
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を噴出させる。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を介して超音波ねじり振動子25の圧電セラミック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。 Next, an operation method of the ultrasonic polishing apparatus will be described with reference to FIG. First, a steel disk having a lithium niobate substrate bonded to the processing table 10 is adsorbed by electromagnetic force. Then, the position of the
ここで超音波ねじり振動子25の圧電セラミック12に超音波交流電圧を印加したときの弾性体2の振動について説明する。超音波ねじり振動子25の圧電セラミック12に超音波交流電圧を印加すると弾性体は図8の2点鎖線で示すように振動する。ここで、2点鎖線で示した振動変位は、図で示すことを容易にするために実際より大きく図示している。超音波ねじり振動子25は、ねじり振動する。そのねじり振動はボルト28bにより超音波ねじり振動子25に取り付けられた弾性体2に伝播し、さらに弾性体2に設けられたスリット26によりねじり振動の一部が拡縮振動に変換される。研磨面に平行であるねじり振動と拡縮振動を同時に励起することにより研磨面の面精度は向上する。そして超音波振動の効果により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。 Here, the vibration of the
また、砥石1を接合した弾性体2と砥石回転軸18先端に取り付けた超音波ねじり振動子25にだけがほぼ超音波振動するので、砥石回転軸18などに超音波振動を伝達することが少ないので、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。 In addition, since only the
また、本発明の超音波研磨装置は、超音波ねじり振動子25に接合した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。 Further, since the ultrasonic polishing apparatus of the present invention applies the ultrasonic alternating voltage using the rotary transformer 15 joined to the ultrasonic
本発明の超音波研磨装置はまた、市販の砥石を接合した弾性体2にスリット26を設けるだけでよいので、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。 In the ultrasonic polishing apparatus of the present invention, since only the
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を弾性体2に接合した構成と超音波ねじり振動子25だけを述べる。 A second embodiment of the present invention will be described. Since the same ultrasonic polishing apparatus as in the first embodiment is used, only the configuration in which the
第二の実施の形態の砥石1などの詳細を図9で平面図に、そして図9のA−A線での断面図である図10を用いて説明する。 Details of the
アルミ製のリング状の弾性体2に8個のスリット26を設け、8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。8個の圧電セラミック12は超音波振動子として動作する。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はスリーブに取り付けるためのものである。 Eight
ここに用いた圧電セラミック12は、図7で示したものと同じであり、矢印で示すように円周方向に分極されている。 The piezoelectric ceramic 12 used here is the same as that shown in FIG. 7, and is polarized in the circumferential direction as shown by the arrows.
第一の実施の形態と同じように、超音波ねじり振動子25の圧電セラミック12に超音波交流電圧を印加すると弾性体は図8の2点鎖線で示すように振動する。超音波ねじり振動子25は、ねじり振動する。そのねじり振動は弾性体に伝播し、さらに弾性体に設けられたスリット26によりねじり振動の一部が拡縮振動に変換される。研磨面に平行であるねじり振動と拡縮振動を同時に励起することにより研磨面の面精度そして研磨速度が向上する。そして超音波振動の効果により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。 As in the first embodiment, when an ultrasonic alternating voltage is applied to the
本発明の第三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を接合した弾性体2、スリット26を持つ回転円板そしてランジュバン型の超音波ねじり振動子25だけを述べる。 A third embodiment of the present invention will be described. Since the same ultrasonic polishing apparatus as that of the first embodiment is used, only the
第三の実施の形態の砥石1などの詳細を図11の平面図に、そして図11のA−A線での断面図である図12を用いて説明する。 Details of the
砥石を接合したアルミ製のリング状の弾性体2を、砥石回転軸18にボルトにより取り付けられた8個のスリット26を設けたアルミ合金製の回転円板14に図示しないボルトにより取り付ける。砥石回転軸18の上部にはランジュバン型の超音波ねじり振動子25を図示しないボルトにより接合している。ランジュバン型の超音波ねじり振動子25は、アルミ合金製の弾性体2a、2bの間に圧電セラミック12a、12bを挟み、図示しないボルトにより締め付けて構成する。さらに超音波ねじり振動子25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。 The aluminum ring-shaped
ここに用いた圧電セラミック12は、図7で示したものと同じであり、矢印で示すように円周方向に分極されている。 The piezoelectric ceramic 12 used here is the same as that shown in FIG. 7, and is polarized in the circumferential direction as shown by the arrows.
第一の実施の形態と同じように、超音波ねじり振動子25の圧電セラミック12に超音波交流電圧を印加すると弾性体は図8の2点鎖線で示すように振動する。超音波ねじり振動子25は、ねじり振動する。そのねじり振動は、砥石回転軸18を伝播し、さらに回転円板14に伝播し、回転円板14に設けられたスリット26によりねじり振動の一部が拡縮振動に変換される。研磨面に平行であるねじり振動と拡縮振動を同時に励起することにより研磨面の面精度そして研磨速度が向上する。そして超音波振動の効果により加工対象物である被研磨物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。 As in the first embodiment, when an ultrasonic alternating voltage is applied to the
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。 In the above description, a cup grindstone and a grinding wheel are used, but it is of course applicable to those having other rotating grindstones.
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。 The ultrasonic polishing apparatus of the present invention is used for polishing an object to be polished such as glass, silicon, silicon nitride, rare earth magnet material, and metal material.
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 ワード線
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 ケース
22 フェライト
23 コイル
24 取付け孔
25 超音波ねじり振動子
26 スリット
27 スリーブ
28 ボルトDESCRIPTION OF
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JP2006319268A JP2008110464A (en) | 2006-10-27 | 2006-10-27 | Ultrasonic grinding device and grinding wheel used for the same |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016524547A (en) * | 2013-05-31 | 2016-08-18 | ザウアー ウルトラソニック ゲーエムベーハーSauer Ultrasonic Gmbh | Tool, machine tool, and workpiece machining method |
-
2006
- 2006-10-27 JP JP2006319268A patent/JP2008110464A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2016524547A (en) * | 2013-05-31 | 2016-08-18 | ザウアー ウルトラソニック ゲーエムベーハーSauer Ultrasonic Gmbh | Tool, machine tool, and workpiece machining method |
US9981321B2 (en) | 2013-05-31 | 2018-05-29 | Sauer Ultrasonic Gmbh | Tool, machine tool, and workpiece machining method |
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