JP2011194546A - 超音波加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工具を取り外さずに研磨することで、これに伴う手間および時間の軽減を図ると共に品質の低下を抑制することができる超音波加工装置を提供する。
【解決手段】第１ホーン５６に脱着自在に取り付けられた第２ホーン５８を第１ホーン５６に取り付けた状態で、その長さが一定になるまで工具６０の研磨を繰り返す研磨手段１６を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、工具と加工材料との位置合わせ回数を減少させた超音波加工装置に関するものである。

半導体の分野において、セラミックスやシリコンなどの硬脆性材料を穿孔加工することが求められており、その手段として砥粒を用いた超音波加工が利用されている。超音波加工とは、超音波振動により針形状を有する工具に縦の振動を起こさせ、工具と加工材料との間に介在する砥粒が工具からの振動波を繰り返し加工材料に与えることで加工材料を破砕していく加工のことである。近年、加工材料の加工は、微細な径の多数の穴をあけることが要求されており、その加工技術にも精密性が求められている。

超音波加工において工具は、砥粒に用いられるダイヤモンド、シリコンカーバイド、ボロンカーバイドなどの高硬度材料との接触を繰り返すため常に摩耗が進行し、工具をある程度使用すると研磨が必要となる。ここで、工具を研磨するためには、工具を超音波加工装置から取り外し、研磨後に再度取り付けなければならない。しかし、工具と加工材料の加工部位とは精密に位置決めされており、工具の研磨などで一旦工具を取り外すと、工具を取り付ける際に両者の位置にずれが生じ、再度、工具と加工材料の加工部位とを一致させるために多大の手間および時間を要し、また、この時に生じる両者の位置のずれによって加工品質も低下してしまうという問題があった。

ここで、従来、工具の摩耗の原因となる切りくず等を外部に排出しながら加工材料の加工を行うことで、長寿命で安定した加工を行うことのできる超音波孔あけ装置が提案されている（特許文献１）。

特開平７−１７８６９９号公報

しかしながら、工具の研磨時には、工具を取り外さなければならず、工具と加工材料の加工位置とを一致させるための多大の手間および時間と、これに伴う加工品質の低下は同様に生じてしまうおそれがある。

この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、工具を取り外さずに研磨することで、これに伴う手間および時間の軽減を図ると共に品質の低下を抑制することができる超音波加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、
超音波振動を発生させる超音波振動発生手段から、前記超音波振動発生手段に脱着自在に取り付けられた工具ホーンへ振動が伝達され、前記工具ホーンが振動することで加工材料を加工する超音波加工装置であって、
前記工具ホーンを前記超音波振動発生手段に取り付けた状態で前記工具ホーンを研磨する研磨手段を有することを特徴とする超音波加工装置を提供するものである。

ここで、上面に前記研磨手段を固定した移動台を介して前記研磨手段を水平方向に移動させる第１の移動手段をさらに有することが好ましい。
また、前記超音波振動発生手段を鉛直方向に移動させる第２の移動手段をさらに有することが好ましい。
また、前記工具ホーンを前記研磨手段で研磨するように第１の移動手段と第２の移動手段を駆動制御する制御部をさらに有することが好ましい。
また、前記移動台は、さらに、上面に前記加工材料を固定していることが好ましい。

また、前記工具ホーンは、その先端が複数の針形状の鋼線から構成されていることが好ましい。
また、前記加工材料に前記工具ホーンの先端を位置合わせするための位置合わせ治具をさらに有することが好ましい。
また、前記研磨手段は、水平軸の周りに回転する円盤状の砥石を有することが好ましい。

また、本発明は、超音波振動を発生させる超音波振動発生手段から、前記超音波振動発生手段に脱着自在に取り付けられた工具ホーンへ振動が伝達され、前記工具ホーンが振動することで加工材料を加工する超音波加工方法であって、
前記加工材料の加工が完了し、
前記工具ホーンを前記超音波振動発生手段に取り付けた状態で前記工具ホーンを研磨することを特徴とする超音波加工方法を提供するものである。

ここで、前記工具ホーンの研磨は、前記工具ホーンの先端部を水平な一方向に研磨し、前記水平な一方向の研磨を前記一方向と直交する方向に繰り返して前記工具ホーンの先端部全面を研磨することが好ましい。

本発明によれば、工具を取り外さずに研磨することで、これに伴う手間および時間の軽減を図ると共に品質の低下を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る超音波加工装置を表す側面図である。 図１に示す工具と加工材料の構成を表す部分断面図である。 図１に示す工具と材料固定手段の構成を表す部分断面図である。 図１に示す工具と研磨手段の構成を表す側面図である。 図１に示す工具と研磨手段の構成を表す下面図である。 研磨手段が工具を研磨する際の一実施形態に係る超音波加工装置を表す側面図である。

以下に、添付の図面に示す好適な実施形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る超音波加工装置１０の構成を示す。超音波加工装置１０は、超音波振動により加工材料６８を加工する超音波加工機構１２と、加工材料６８を固定する材料固定手段１４と、超音波加工機構１２に設けられた工具６０を研磨する研磨手段１６と、材料固定手段１４と研磨手段１６とをそれぞれ水平面内でｘ方向およびｙ方向に移動させるｘ方向移動手段２４およびｙ方向移動手段２６と、超音波加工機構１２をｚ方向に移動させるｚ方向移動手段２８と、これら移動手段２４，２６，２８を支持するコラム２０と、超音波加工機構１２と研磨手段１６と移動手段２４，２６，２８に電気的に接続された制御部２２とを有している。

ｘ方向移動手段２４は、紙面左右方向に延在する板状の部材であるｘ方向の固定台３０を有し、コラム２０の下部において固定して設置される。ｘ方向の固定台３０の上面には、円柱形状を有するｘ方向の回転軸３２が紙面左右方向に設置され、その円周上に軸に沿っておねじが形成されている。ｘ方向の回転軸３２は、その軸の周りに回転可能に設置されており、ｘ方向の回転軸３２に接続されたｘ方向のサーボモータ３４によりその回転が駆動される。また、ｘ方向の回転軸３２は、板状の形状を有するｘ方向の移動台３６に貫通しており、ｘ方向の回転軸３２に形成されているおねじに対応しためねじがｘ方向の移動台３６に形成されている。これにより、ｘ方向の移動台３６はｘ方向の回転軸３２の回転により紙面左右方向に移動することができる。
ｙ方向移動手段２６もｘ方向移動手段２４と同様の構成を有する。紙面前後方向に延在する板状の部材であるｙ方向の固定台３８が、ｘ方向の移動台３６の上面に固定して設置されている。ｙ方向の固定台３８の上面には、円柱形状を有するｙ方向の回転軸４０が紙面前後方向に設置されており、ｙ方向のサーボモータ４２によりその軸の周りの回転が駆動される。ｙ方向の回転軸４０の円周上には軸に沿っておねじが形成されており、ｙ方向の回転軸４０が貫通した板状の形状を有するｙ方向の移動台４４のめねじと組み合うことで、ｙ方向の移動台４４が紙面前後方向に移動することができる。
ｚ方向移動手段２８もｘ方向移動手段２４およびｙ方向移動手段２６と同様の構成を有する。紙面上下方向に延在する板状の部材であるｚ方向の固定台４６が、コラム２０に固定して設置されている。ｚ方向の固定台４６の上面には、円柱形状を有するｚ方向の回転軸４８が紙面上下方向に設置されており、ｚ方向のサーボモータ５０によりその軸の周りの回転が駆動される。ｚ方向の回転軸４８の円周上には軸に沿っておねじが形成されており、ｚ方向の回転軸４８が貫通した板状の形状を有するｚ方向の移動台５２のめねじと組み合うことで、ｚ方向の移動台５２が紙面上下方向に移動する。

超音波加工機構１２は、ｚ方向の移動台５２に固定して設置されており、超音波振動を発生させる振動発生部５４と、発生した振動を伝達する第１ホーン５６および第２ホーン５８と、伝達された振動により加工材料６８を加工する工具６０とを有する。
振動発生部５４は、その内部に備えられた図示しない超音波振動子によって超音波を発信させ、鉛直方向の振動を発生させる。振動発生部５４の下面には下方に向かって縮径されたほぼ円錐形状を有する第１ホーン５６が連結され、第１ホーン５６の下面には円柱形状を有する第２ホーン５８が脱着自在に連結されている。第２ホーン５８の下面には、針形状を有する工具６０が下方に向かって複数固定して配置されている。このように、各部材が連結されることで、振動発生部５４から発生された振動が第１ホーン５６および第２ホーン５８を介して工具６０に伝達される。
なお、工具６０の素材は、振動を利用して加工材料６８を加工できれば特に限定されないが、例えば鋼材が用いられる。

材料固定手段１４は、工具６０の下方に位置し、ｘ方向の移動台３６の上面に固定して配置された直方体の形状の材料固定台６６を有する。材料固定台６６の上方には板状の形状を有する位置合わせ治具７０が図示しない支持部材を介して所定の隙間を開けて材料固定台６６に固定されている。位置合わせ治具７０には、この板を貫通する穴が各工具６０の配置と断面形状に一致するように形成されている。また、材料固定台６６と位置合わせ治具７０との所定の隙間には、加工材料６８が挿入され、加工材料６８の加工部位と位置合わせ治具７０の穴の位置とが一致するように材料固定台６６に固定されている。これにより、工具６０を位置合わせ治具７０の穴に通すことで、加工材料６８と工具６０の先端の位置を位置合わせすることができる。

研磨手段１６は、ｙ方向の移動台４４の上面に固定して配置される研磨台７４と、研磨台７４に回転可能に設置された円盤状の砥石７２と、砥石７２に接続されたモータ７５とを有する。モータ７５は制御部２２に接続され、制御部２２の制御により砥石７２が紙面前後方向の水平軸の周りに一定方向に回転する。

制御部２２は、ｘ方向移動手段２４、ｙ方向移動手段２６、およびｚ方向移動手段２８により、材料固定手段１４、研磨手段１６、および超音波加工機構１２の移動を制御する機能を有する。また、振動発生部５４および研磨手段１６とそれぞれ接続されている。

なお、上記の振動発生部５４と第１ホーン５６は、本発明における超音波振動発生手段を構成し、第２ホーン５８と工具６０は、本発明における工具ホーンを構成している。また、ｘ方向移動手段２４とｙ方向移動手段２６は、本発明における第１の移動手段を構成し、ｚ方向移動手段２８は、本発明における第２の移動手段を構成している。

次に、図１に示した超音波加工装置１０の動作を説明する。
まず、加工材料６８が材料固定台６６に固定され、加工材料６８の加工部位がオペレータにより決定されると、位置合わせ治具７０が加工材料６８の加工部位と位置合わせ治具７０の穴とを一致させて材料固定台６６に設置される。ここで、加工材料６８の加工部位は、位置合わせ治具７０の穴を通して工具６０の先端と位置合わせされている。次に、制御部２２がｚ方向移動手段２８を制御して工具６０が待機する紙面上方の位置（待機位置）から紙面下方の位置（加工位置）に工具６０を移動させることで、図２に示すように、工具６０の先端が位置合わせ治具７０の穴を通して加工材料６８の加工部位に達する。

この状態で、砥粒７６が加工材料６８と工具６０との間に供給されると共に、制御部２２から振動発生部５４の超音波振動子へ電気信号が伝達され、超音波振動子から第１ホーン５６および第２ホーン５８を介して工具６０へ振動が伝達される。図２に示すように、工具６０からの振動波が砥粒７６を介して加工材料６８の加工部位に繰り返し与えられることで加工材料６８が破砕されて加工されていく。

加工材料６８の加工が完了すると、図３に示すように、制御部２２がｚ方向移動手段２８およびｘ方向移動手段２４を制御して、工具６０を待機位置に移動（図３の矢印ｚ方向）させる。ここで、工具６０の長さが均一でなく（図３の矢印ｍ）研磨が必要であるとオペレータにより判断されると、図示しない入力手段からオペレータにより研磨後の工具６０の長さ（研磨前の工具６０の長さから研磨する長さを引いた長さ）が入力される。
入力された工具６０の長さの情報は制御部２２に送信され、制御部２２が移動手段１８を制御して研磨手段１６と超音波加工機構１２を移動させる。すなわち、研磨手段１６がｘ方向移動手段２４により研磨手段１６の待機する紙面右方向の位置（研磨準備位置）から工具６０と隣接する位置（研磨開始位置）に移動され、工具６０がｚ方向移動手段２８により待機位置から工具６０の研磨が行われる下方の位置（研磨位置）に移動される。なお、研磨手段１６がｘ方向移動手段２４により研磨開始位置に移動すると、これに伴い材料固定手段１４も工具の下方の位置から紙面左方向へと移動する。
ここで、研磨位置とは、図４に示すように、オペレータにより入力された研磨後の工具６０の下端（図４の破線）が、研磨手段１６の砥石７６の最も鉛直方向に高い位置と重なる位置であり、超音波加工機構１２の位置と研磨手段１６の高さとから制御部２２により算出される。また、研磨開始位置とは、図５に示すように、工具６０の紙面右上方向に隣接する位置である。

続いて、オペレータにより工具６０の研磨が指示されると、制御部２２がモータ７５を介して研磨手段１６の砥石７６を回転させ、図６に示すように、制御部２２がｘ方向移動手段２４を制御して研磨手段１６を研磨開始位置から紙面左方向に移動することで工具６０の研磨が行われる。

続いて、研磨手段１６が工具６０の紙面左側まで移動すると、工具６０は待機位置に、研磨手段１６は研磨開始位置にそれぞれ移動され、工具６０が研磨位置に移動後、再び研磨手段１６による研磨が行われる。このように、研磨手段１６が工具６０の紙面右側から紙面左側への移動を繰り返し、工具６０と砥石７２の接触がなくなるまで（工具の長さが一定になるまで）研磨が繰り返される。
これにより、図５に示すように、工具６０の紙面右側（第１の研磨レーン）の研磨が完了すると、制御部２２がｙ方向移動手段２６を制御し、研磨手段１６を研磨開始位置の紙面左側に隣接する位置に移動させ、同様にｘ方向移動手段２４により研磨手段１６を紙面上方から紙面下方に移動させて、工具６０の第１の研磨レーンの紙面左側の位置（第２の研磨レーン）を研磨する。これを紙面左方向に繰り返していき工具６０の全体の長さを均一にすることができる。

これにより、第２ホーン５８を第１ホーン５６から取り外すことなく工具６０を研磨し加工材料６８の加工を繰り返すことができるため、工具６０を研磨する際に生じていた工具６０と加工材料６８との位置合わせを行う必要がなく、作業者の労力軽減と共に作業時間を短縮することができる。また、工具６０の研磨をおこなっても工具６０と加工材料６８の位置は最初に固定された状態を保っており、加工材料の同じ加工部位を常に加工するため加工品質の低下を防ぐことができる。
さらに、一連の加工材料６８の加工を通じて工具６０の長さを均一に保つことが簡便にでき、加工材料６８を加工する加工圧の差を一定に保つことに長時間を要しないため、加工品質を向上させた製品を量産することができる。

工具６０の全体の研磨が完了すると、オペレータの指示により制御部２２がｚ方向移動手段２８を制御して、工具６０を研磨位置から待機位置に移動させる。次に、制御部２２がｘ方向移動手段２４およびｙ方向移動手段を制御して、研磨手段１６を研磨開始位置から研磨準備位置に移動させると共に、材料固定手段１４を工具６０の下方に移動させる。材料固定手段１４に新たな加工材料６８が固定されると、制御部２２はｚ方向移動手段２８を制御して、工具６０を待機位置から加工位置に移動させ、新たな加工材料６８の加工が開始される。

本実施形態の超音波加工装置１０によれば、第２ホーン５８を第１ホーン５６から取り外すことなく工具６０を研磨し加工材料６８の加工を繰り返すことができるため、工具６０を研磨する際に生じていた工具６０と加工材料６８との位置合わせを行う必要がなく、作業者の労力軽減と共に作業時間を短縮することができる。また、工具６０の研磨をおこなっても工具６０と加工材料６８の位置は最初に固定された状態を保っており、加工材料の同じ加工部位を常に加工するため加工品質の低下を防ぐことができる。
また、一連の加工材料６８の加工を通じて工具６０の長さを均一に保つことが簡便にでき、加工材料６８を加工する加工圧の差を一定に保つことに長時間を要しないため、加工品質を向上させた製品を量産することができる。

なお、本実施形態の砥石７２は同一方向に回転しているが、工具６０を研磨できれば回転方向が逆回転となってもよい。例えば、図６において、研磨手段１６が工具６０を紙面右方向から紙面左方向へ研磨後、制御部２２がモータ７５を制御して砥石７２を逆回転させ、工具６０を紙面左方向から紙面右方向へ研磨を行うことを工具６０の研磨が完了するまで繰り返してもよい。この場合、研磨手段１６が紙面の左右を往復する時にも工具６０は常に研磨位置に位置することとなる。
また、工具６０の数および配置は加工材料６８に応じて設定することができ、工具６０を研磨する際の研磨手段１６の移動もそれに合わせて設定することができる。例えば、図５において、工具６０の幅が研磨手段１６の砥石７２の幅よりも狭いのであれば、研磨手段１６を紙面左方向に移動させる必要はなく、紙面上下方向に研磨すればよい。この場合、ｙ方向移動手段２６は使用されない。
また、工具６０と加工材料６８の加工部位とを位置合わせできるのであれば、位置合わせ治具７０を使用しなくてもよい。
また、本実施形態の研磨手段１６は、砥石７２を回転させているが、工具６０を均一な長さにできるのであれば特に限定されない。例えば、平面板状の砥石７２を水平方向に往復させることで工具６０を研磨してもよく、また、工具６０の先端を切断することで研磨と同様に工具の長さを均一にしてもよい。

１０ 超音波加工装置
１２ 超音波加工機構
１４ 材料固定手段
１６ 研磨手段
２０ コラム
２２ 制御部
２４ ｘ方向移動手段
２６ ｙ方向移動手段
２８ ｚ方向移動手段
３０ ｘ方向の固定台
３２ ｘ方向の回転軸
３４ ｘ方向のサーボモータ
３６ ｘ方向の移動台
３８ ｙ方向の固定台
４０ ｙ方向の回転軸
４２ ｙ方向のサーボモータ
４４ ｙ方向の移動台
４６ ｚ方向の固定台
４８ ｚ方向の回転軸
５０ ｚ方向のサーボモータ
５２ ｚ方向の移動台
５４ 振動発生部
５６ 第１ホーン
５８ 第２ホーン
６０ 工具
６６ 材料固定台
６８ 加工材料
７０ 位置合わせ治具
７２ 砥石
７４ 研磨台
７５ モータ
７６ 砥粒

Claims (10)

1. 超音波振動を発生させる超音波振動発生手段から、前記超音波振動発生手段に脱着自在に取り付けられた工具ホーンへ振動が伝達され、前記工具ホーンが振動することで加工材料を加工する超音波加工装置であって、
   前記工具ホーンを前記超音波振動発生手段に取り付けた状態で前記工具ホーンを研磨する研磨手段を有することを特徴とする超音波加工装置。
2. 上面に前記研磨手段を固定した移動台を介して前記研磨手段を水平方向に移動させる第１の移動手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
3. 前記超音波振動発生手段を鉛直方向に移動させる第２の移動手段をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の超音波加工装置。
4. 前記工具ホーンを前記研磨手段で研磨するように第１の移動手段と第２の移動手段を駆動制御する制御部をさらに有することを特徴とする請求項２または３に記載の超音波加工装置。
5. 前記移動台は、さらに、上面に前記加工材料を固定していることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の超音波加工装置。
6. 前記工具ホーンは、その先端が複数の針形状の鋼線から構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超音波加工装置。
7. 前記加工材料に前記工具ホーンの先端を位置合わせするための位置合わせ治具をさらに有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の超音波加工装置。
8. 前記研磨手段は、水平軸の周りに回転する円盤状の砥石を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の超音波加工装置。
9. 超音波振動を発生させる超音波振動発生手段から、前記超音波振動発生手段に脱着自在に取り付けられた工具ホーンへ振動が伝達され、前記工具ホーンが振動することで加工材料を加工する超音波加工方法であって、
   前記加工材料の加工が完了し、
   前記工具ホーンを前記超音波振動発生手段に取り付けた状態で前記工具ホーンを研磨することを特徴とする超音波加工方法。
10. 前記工具ホーンの研磨は、前記工具ホーンの先端部を水平な一方向に研磨し、前記水平な一方向の研磨を前記一方向と直交する方向に繰り返して前記工具ホーンの先端部全面を研磨することを特徴とする請求項９に記載の超音波加工方法。

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