JP2008162003A - 超音波研磨装置に用いる砥石及び弾性体 - 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】 アルミ製のリング状の弾性体２の上下面を旋盤により切削し両面に段差を設ける。弾性体２の厚肉の外周部の両面に２個のリング状の圧電セラミック１２ａ、１２ｂを、エポキシ接着剤を用いて接合する。圧電セラミック１２ａ、１２ｂ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。アルミ製の弾性体２の上下面に接合した圧電セラミック１２は、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、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及び弾性体に関する。

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、チタン合金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、砥石を接合した弾性体が円環状であり、かつ中心軸に対して同心円状に段差を設け、かつ外周部の厚さが大きく、内周部の厚さが小さいこと、さらに前記厚さの大きい外周部の弾性体の上面、下面の２面に圧電セラミックを接合し、厚さが小さい内周部を保持固定するものである。

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が円環状であり、かつ中心軸に対して同心円状に溝部を設けていること、さらに前記厚さの大きい部分でかつ最も外周部の弾性体の上面、下面の２面に圧電セラミックを接合し、溝部より内周部を保持固定するものである。

本発明の超音波研磨装置は、研磨面に平行な振動を砥石に付与することができる。このため、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、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の上下面に圧電セラミック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１２ａ、１２ｂ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にボルト２７ｂ、２７ｃにより接続する。その際弾性体２をより均一にボルト２７ｂ、２７ｃにより締め付けるためにリング状のアルミ合金製の剛性板２６を用いる。そして弾性体２を接合した回転円板１４をネジ２７ａにより砥石回転軸１８に取り付ける。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は砥石回転軸１８に接続され、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の上方位置にタンク１９よりパイプ２０を通して水４が噴出するように配置されている。

図３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の上下面を旋盤により切削し両面に段差を設ける。弾性体２の厚肉の外周部の両面に２個のリング状の圧電セラミック１２ａ、１２ｂを、エポキシ接着剤を用いて接合する。圧電セラミック１２ａ、１２ｂ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。

アルミ製の弾性体２は、外径１２０ｍｍ、内径４０ｍｍであり、厚さが１２ｍｍの部分は外径１２０ｍｍ、内径８０ｍｍであり、厚さが６ｍｍの部分は外径８０ｍｍ、内径４０ｍｍである。

そして回転円板１４の外径が７６ｍｍであり、この回転円板１４により弾性体の厚さが６ｍｍの部分で直径７６ｍｍ以内は、回転円板１４により固定保持される。

弾性体２の上下面に接合した圧電セラミック１２は、板厚方向に分極されている。そしてその寸法は、外径１２０ｍｍ、内径８０ｍｍであり、厚さが１ｍｍである。

この条件で弾性体２と圧電セラミック１２の振動モードを、有限要素法を用いて計算した。モデルは軸対称であるので、９０度だけを計算した。その結果を図７に示す共振周波数が約３９ＫＨｚに所望の振動モードがあった。図中の矢印方向は振動方向を、矢印の大きさは振動の大きさを示す。このように圧電セラミック１２を接合した弾性体２の外周部が一様に半径方向に振動していることがわかる。

弾性体に同心円状の段差を設け、厚さの大きい外周部に圧電セラミックを接合し、厚さの小さい内周部を回転円板１４により固定支持することにより、外周部が一様に半径方向に大きく変位する所望の２０ＫＨｚ以上１００ＫＨｚ以下で所望の振動モードが得られる。

比較のため段差を設けない一様な厚さを持つ弾性体の外周部に圧電セラミックを接合し、内周部を回転円板１４により固定支持した場合を計算した。これを図８に示す。共振周波数が約４６ＫＨｚであるところに所望の振動モードがあった。

溝部１３を設けることにより所望の振動モードが得られる固有振動数を調整できることが明らかになった。この方法を用いることにより所望の共振周波数で所望の半径方向の振動を得ることができる。

さらに溝部１３がない場合、圧電セラミックの振動が、そのまま弾性体の内周部に伝播し、回転円板に伝播してしまうので、実際には、溝部１３がない場合は、所望の振動の大きさを得ることは困難になる。また、溝部１３がない場合、弾性体２と回転円板１４などを含む振動体となるので、弾性体２だけに所望の振動を励起することは困難である。

また、上記の実施の形態では、弾性体の両面に圧電セラミックを接合したが、これは研磨面に平行な振動を得るためである。実験結果によると研磨面に平行な振動は、研磨面に垂直な振動に比較して加工面精度を向上させることが明らかになった。

したがって、特に面精度にこだわらない荒加工では、弾性体の片面に圧電セラミックを接合してもよい。この場合、どうしても研磨面に垂直な振動も励起される。

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。これと同時にタンク１９よりパイプ２０を通して水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。図７の有限要素法で計算した振動モードが圧電セラミック１２とアルミ製のリング状の弾性体２に励起され、さらに砥石１に伝播する。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。

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。

本発明の第二の実施の形態について説明する。図９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であるアルミナーチタンカーバイト基板を、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ｓｉｎ位相とｃｏｓ位相の電圧を発生する超音波発振器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１０（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１０（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。

ロータリートランス１５ａ、１５ｂはｓｉｎ波、ｃｏｓ波の位相の電圧を伝送するためにロータリートランス１５ａ、１５ｂを２つの部分に分割している。ｓｉｎ波、ｃｏｓ波の位相の電圧を互いに漏れさせないために、フェライト２２ａとフェライト２２ｂとの間にシールド材２８としてパーマロイを位置させる。

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は砥石回転軸１８に接続され、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の上方位置にタンク１９よりパイプ２０を通して水４が噴出するように配置されている。

第二の実施の形態の砥石１などの詳細を図１１で平面図に、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。

アルミ製のリング状弾性体２の両面に同心円状に溝部１３を設ける。そして、圧電セラミック１２ａ、１２ｂをリング状弾性体２の最外周部の両面に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。

１個の円環状の圧電セラミック１２の裏側を全面電極にし、表側に８個の分割された電極を設ける。そして図中の丸印は紙面に対して表方向に分極されているところを、四角印は紙面に対して裏方向に向かって分極されているところを示す。またＡはｃｏｓ位相の電圧を印加することを示し、Ｂはｓｉｎ位相の電圧を印加することを示す。

円環状の砥石１をリング状弾性体２の最外周にエポキシ樹脂を用いて接合する。砥石１は一体のものをここでは用いているが、もちろん複数個に分割されているものでも良い。

次にこの超音波研磨装置の運転方法について図９を用いて説明する。まず、加工テーブル１０にアルミナーチタンカーバ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。これと同時にタンク１９よりパイプ２０を通して水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ｓｉｎ波、ｃｏｓ波の２相の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、アルミナーチタンカーバイト基板を研磨する。

ここで圧電セラミック１２にｓｉｎ波、ｃｏｓ波の２相の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。図１１の２点鎖線で示した振動モードが円周周りに回転する。このような振動をモード回転という。そしてこのモード回転の振動は、圧電セラミック１２とアルミ製のリング状の弾性体２に励起され、さらに砥石１に伝播する。

モード回転の振動は半径方向だけの振動でなく円周方向にも振動するので、より均一な面精度で研磨できる。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。

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。

本発明の第三の実施の形態について図の側面断面図を用いて説明する。超音波研磨装置の説明は、第一の実施の形態で説明したものと同様であるので省略する。

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。ステンレス製のリング状の弾性体２上下面を旋盤により切削し両面に溝部１３を設ける。弾性体２の最も外周部の両面に２個のリング状の圧電セラミック１２ａ、１２ｂを、エポキシ接着剤を用いて接合する。圧電セラミック１２ａ、１２ｂは表面に防水用の塗料を塗布している。また弾性体２の内周部に回転円板１４に取り付けるための４個の取付け孔２４を設けているが図面を簡略化するために省略した。

ステンレス製の弾性体２は、外径２００ｍｍ、内径１３０ｍｍであり、厚さが１０ｍｍである。圧電セラミックは、外径１９２ｍｍ、内径１６６ｍｍであり、厚さが１ｍｍである。溝部１３は外径１６６ｍｍ、内径１６２ｍｍ、深さ２．５ｍｍである。

そして回転円板１４により溝部１３より内側の外径１６２ｍｍから内径１３０ｍｍの間を固定保持される。

弾性体２の外周部の上下面に接合した圧電セラミック１２ａ、１２ｂは、板厚方向に分極されている。そしてその寸法は、外径１９２ｍｍ、内径１６６ｍｍであり、厚さが１ｍｍである。ここでは、圧電セラミックスは一体としているが、例えば円周方向に９分割すると製造が容易になる、そして超音波振動が励起された場合に、機械的信頼性が高くなる。

この条件で弾性体２と圧電セラミック１２の振動モードを、有限要素法を用いて計算した。その結果を図１５に示す所望の半径方向の拡がり振動の固有振動数は約４１ＫＨｚである。図中の矢印方向は振動方向を、矢印の大きさは振動の大きさを示す。このように圧電セラミック１２を接合した弾性体２の外周部が一様に半径方向に振動していることがわかる。

弾性体に同心円状の溝部１３を設け、外周部に圧電セラミックを接合し、溝部１３より内周部を回転円板により固定支持することにより、外周部が一様に半径方向に大きく変位する所望の振動モードが得られる。そして、溝部１３の形状により、弾性体の直径が１００ｍｍを超えても所望の固有振動数をもつ構成を実現できる。

比較のため溝部１３を設けない一様な厚さを持つ弾性体の外周部に圧電セラミックを接合し、内周部を回転円板により固定支持した場合を計算した。これを図１６に示す。共振周波数が約５７ＫＨｚであるところに所望の振動モードがあった。

溝部１３を設けることにより所望の振動モードが得られる固有振動数を調整できることが明らかになった。この方法を用いることにより所望の共振周波数で所望の半径方向の振動を得ることができる。

さらに溝部１３がない場合、圧電セラミックから供給した振動エネルギーが、そのまま弾性体２の内周部に伝播し、回転円板に伝播してしまうので、実際には、溝部１３がない場合は、所望の振動の大きさを得ることは困難になる。また、弾性体２と回転円板１４が一体となって振動するため所望の振動モードを得ることが困難である。

溝部１３の効果により所望の固有振動数の超音波振動がリング状の弾性体２に励起され、さらに砥石１に伝播する。また、溝部１３の効果により溝部１３の内側には振動の伝播が小さくなるので回転円板で保持したときと、回転円板で保持しないときの差が小さい。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。

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の実施の形態の弾性体と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５の構成の振動モードを有限要素法を用いて計算した図である。 図７の比較として段差を設けない構成の振動モードを、有限要素法を用いて計算した図である。 本発明の第２の実施の形態の弾性体と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９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９の砥石と弾性体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３の実施の形態の弾性体と砥石を示す平面図である。 図１３のＡ−Ａ線で切断した断面図である。 図１３の構成の振動モードを有限要素法を用いて計算した図である。 図１３の比較として溝部を設けない構成の振動モードを、有限要素法を用いて計算した図である。

符号の説明

１ 砥石
２ 弾性体
３ 研磨軸
４ 水
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 溝部
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 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
２６ 剛性板
２７ ボルト
２８ シールド材

Claims (2)

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、砥石を接合した弾性体が円環状であり、かつ中心軸に対して同心円状に段差を設けていること、そして外周部の厚さが大きく、内周部の厚さが小さいものであり、前記厚さの大きい外周部の弾性体の上面、下面の２面に圧電セラミックを接合していること、さらに厚さが小さい内周部を保持することを特徴とする。
2. 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が円環状であり、かつ中心軸に対して同心円状に溝部を設けていること、さらに前記厚さの大きい部分でかつ最も外周部の弾性体の上面、下面の２面に圧電セラミックを接合していること、さらに溝部より内周部を保持することを特徴とする。

Images