JP2011194547A

JP2011194547A - 超音波加工装置

Info

Publication number: JP2011194547A
Application number: JP2010066817A
Authority: JP
Inventors: Fumitomo Kawahara; 史朋河原; Tetsuji Tamura; 哲司田村; Nobuhide Kitamura; 信秀喜多村
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2011-10-06

Abstract

【課題】常に均一な濃度の砥粒を加工材料の加工部位に供給することで加工速度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】加工材料５８の上面に砥粒液６０を供給する砥粒供給手段６２と、工具４６と加工材料５８との相対位置を保った状態で工具４６と加工材料５８を傾斜させる傾斜手段２０を有し、その傾斜手段２０により工具４６と加工材料５８を傾斜させた状態で加工材料５８を加工する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波振動により振動する工具が加工材料の上面に供給される砥粒を介して振動波を与えることで加工材料を加工する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、微細な径で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。

従来、例えば特許文献１には、砥粒を液体に分散した状態で工具の周囲に供給し、砥粒分散液が工具の周辺に保持されるようなモードで工具を振動させる超音波加工装置が提案されている。

特開２００４−１１２１号公報

超音波加工において砥粒は、加工速度や加工品質等に影響を与える重要な材料であり、砥粒液の流速、砥粒液の温度、砥粒の濃度などがこれらに影響を与えると考えられている。また、砥粒の摩耗も加工速度等に影響を与える要因となるため、砥粒にはダイヤモンド、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が用いられている。しかし、このような高硬度材料からなる砥粒を用いると、砥粒の摩耗の進行が減少する一方で、砥粒の質量が大きいため滞留が生じ、砥粒の濃度が不均一になることで加工速度等を低下させてしまうという問題があった。

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、常に均一な濃度の砥粒を加工材料の加工部位に供給することで加工速度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、
超音波振動により振動する工具が、加工材料の上面に供給される砥粒を介して振動波を与えることで前記加工材料を加工する超音波加工装置であって、
前記加工材料の上面に砥粒を供給する砥粒供給手段と、
前記工具と前記加工材料との相対位置を保った状態で前記工具と前記加工材料を傾斜させる傾斜手段を有し、
前記傾斜手段により前記工具と前記加工材料を傾斜させた状態で前記加工材料を加工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、前記砥粒供給手段は、前記傾斜手段により傾斜された前記加工材料の上面部分のうち比較的高い部分の近傍に配置された砥粒供給口から砥粒を供給すると共に、前記加工材料の上面部分のうち比較的低い部分の近傍に配置された砥粒排出口から砥粒を排出することが好ましい。
また、前記砥粒供給手段は、前記砥粒排出口から排出された前記砥粒を再び前記砥粒供給口から前記加工材料に供給することが好ましい。

また、前記加工材料の傾斜角度に基づいて、前記砥粒供給手段により前記加工材料の上面に供給される前記砥粒の供給量を制御する制御部をさらに有することが好ましい。
また、前記砥粒の温度を調節する温度調節部をさらに有することが好ましい。

本発明によれば、常に均一な濃度の砥粒を加工材料の加工部位に供給することで加工速度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部分断面図である。工具が加工材料を加工する前の一実施形態に係る超音波加工装置を表す側面部分断面図である。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に示す工具と加工材料の構成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、間隔を空けて鉛直方向に配置された２つの板状のフレーム１２を有する。２つのフレーム１２の間には柱状のコラム１６が配置され、コラム１６はその側面を紙面前後方向に貫通する円柱状の回転軸１４を有する。回転軸１４の両端は２つのフレーム１２の上部にそれぞれ回転可能に設置され、回転軸１４の回転に伴いコラム１６が傾斜される。コラム１６の上部には、円盤状のシーブ１８が設置されており、紙面前後方向の水平軸の周りに回転する。

フレーム１２の側面には傾斜手段２０が配置されている。傾斜手段２０は、紙面左右方向の水平軸周りに回転する操作ハンドル２２と、操作ハンドル２２に連結され駆動ギヤとして機能するウォーム２４と、ウォーム２４と噛合するハス歯歯車２６とを有する。ハス歯歯車２６の中心部には回転軸１４が連結されており、ハス歯歯車２６の回転に伴い回転軸１４が回転する。操作ハンドル２２を回すことにより、ウォーム２４およびハス歯歯車２６を介してコラム１６の傾斜角度を調節することができる。

コラム１６の表面には、移動手段２８が配置されている。移動手段２８は、コラム１６の表面に沿ってコラム１６の長手方向に固定されたレール３０と、それぞれのレール３０に沿って移動自在に取り付けられた第１の移動台３２および第２の移動台３４とを有する。第１の移動台３２および第２の移動台３４は、それぞれ、その下面にレール３０と係合して第１の移動台３２および第２の移動台３４をレール３０に沿って移動するための第１の移動手段３６および第２の移動手段３７を有する。なお、第１の移動台３２はコラム１６の傾斜方向において高所側に、第２の移動台３４はコラム１６の傾斜方向において低所側にそれぞれ配置されている。

第１の移動台３２の上面には超音波加工機構３８が固定されている。超音波加工機構３８は、超音波振動を発生させる振動発生部４０と、発生した振動を伝達する第１ホーン４２および第２ホーン４４と、伝達された振動により加工材料を加工する工具４６とを有する。
振動発生部４０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コラム１６の表面に平行な方向の超音波振動を発生させる。振動発生部４０の下面にはその下面に対して垂直方向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４２が連結され、第１ホーン４２の下面には円柱形状を有する第２ホーン４４が脱着自在に連結されている。第２ホーン４４の下面には、針形状を有する工具４６が第２ホーン４４の下面に対して垂直方向に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４０から発生された振動が第１ホーン４２および第２ホーン４４を介して工具４６に伝達される。
また、第１の移動台３２にはワイヤ４８の一端が連結されており、シーブ１８を介したワイヤ４８の他端には第１の移動台３２と超音波加工機構３８の合計重量とほぼ同じ重量を有するカウンタウェイト５０が連結されている。

第２の移動台３４の上面には材料固定手段５２が固定されている。材料固定手段５２は、直方体の形状の材料固定台５４と、材料固定台５４の上面方向に図示しない支持部材を介して所定の隙間を開けて固定された板状の形状を有する位置合わせ治具５６とを有する。位置合わせ治具５６には、この板を貫通する穴が各工具４６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５４と位置合わせ治具５６との所定の隙間には、加工材料５８が挿入され、加工材料５８の加工部位と位置合わせ治具５６の穴の位置とが一致するように材料固定台５４に固定されている。これにより、工具４６を位置合わせ治具５６の穴に通すことで、加工材料５８と工具４６の先端の位置を位置合わせすることができる。

材料固定手段５２の近傍には、加工材料５８の上面に砥粒液６０を供給する砥粒供給手段６２が設置されている。砥粒供給手段６２は、砥粒液６０を貯留する砥粒貯留部６４と、砥粒液６０を加工材料５８の上面に供給する砥粒供給管６６と、加工材料５８の上面に供給された砥粒液６０を排出する砥粒排出管６８と、加工材料５８の上面に供給されて流出する砥粒液６０を受ける砥粒受け皿７０とを有する。また、砥粒貯留部６４には砥粒液６０の温度を調節する温度調節部７２が接続され、砥粒供給管６６には砥粒液６０を供給するポンプ７４が接続されている。
砥粒供給管６６および砥粒排出管６８は、砥粒貯留部６４から加工材料５８の近傍まで伸びており、砥粒供給管６６の加工材料側に形成された砥粒供給口７６から砥粒液６０を供給すると共に、砥粒排出管６８の加工材料側に形成された砥粒排出口７８から砥粒液６０を排出する。なお、砥粒供給口７６は傾斜手段２０により傾斜された加工材料５８の上面のうち比較的高い部分の近傍に配置され、砥粒排出口７８は傾斜手段２０により傾斜された加工材料５８の上面のうち比較的低い部分の近傍に配置される。これにより、加工材料５８の上面を流れて砥粒排出口７８から排出された砥粒液６０を再び砥粒供給口７６から加工材料５８に供給して砥粒液６０を循環させることができる。

また、砥粒供給手段６２のポンプ７４と温度調節部７２は、制御部８０と接続されている。制御部８０は、加工材料５８の傾斜角度に基づいて、加工材料５８の上面に供給される砥粒液６０の供給量を制御する機能を有する。また、振動発生部４０も制御部８０と接続されている。

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、図２に示すように、操作ハンドル２２を回してコラム１６を鉛直方向に設置した状態で、加工材料５８が材料固定台５４に固定される。オペレータにより加工材料５８の加工部位が決定されると、位置合わせ治具５６が加工材料５８の加工部位と位置合わせ治具５６の穴とを一致させて材料固定台５４に設置される。ここで、加工材料５８の加工部位は、位置合わせ治具５６の穴を通して工具４６の先端と位置合わせされている。
次に、第１の移動手段３６および第２の移動手段３７の少なくとも一方により第１の移動台３２および第２の移動台３４を相対的に近接する方向に移動させることで超音波加工機構３８および材料固定手段５２を移動させ、各工具４６の先端を位置合わせ治具５６の対応する穴を通して加工材料５８の加工部位に近接させる。

続いて、傾斜手段２０の操作ハンドル２２を回転させるとウォーム２４が回転して、ウォーム２４と噛合するハス歯歯車２６が紙面前後方向の水平軸の周りに回転し、ハス歯歯車２６に連結された回転軸１４が回転することで、図１に示すように、コラム１６を鉛直方向から所定角度だけ傾斜させる（図１の矢印方向）。このような、コラム１６の傾斜に伴い、工具４６と加工材料５８も工具４６が加工材料５８の加工部位に位置合わせされた状態を保ちながら予め設定された所定角度だけ傾斜される。

制御部８０には、コラム１６の所定の傾斜角度すなわち加工材料５８の傾斜角度に対応して、砥粒液６０が加工材料５８の上面を適切な流速で流れるような砥粒液６０の供給量が予め設定されている。制御部８０は、砥粒供給手段６２のポンプ７４を駆動して、図３に示すように、砥粒液６０が加工材料５８の上面を適切な流速で流れるように予め設定された供給量の砥粒液６０を、傾斜された加工材料５８の上面のうち比較的高い部分に配置された砥粒供給口７６から供給する。
なお、砥粒液６０の温度が温度調節部７２によって検出され、適切な温度となるように温度調節部７２を介して砥粒液６０の温度が調節されている。
続いて、制御部８０から振動発生部４０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４２および第２ホーン４４を介して工具４６へ振動が伝達される。続いて、図４に示すように、工具４６からの振動波が砥粒６１を介して加工材料５８の加工部位に繰り返し与えられることで加工材料５８が破砕されて加工されていく。
このように、常に均一な濃度の砥粒液６０が加工材料５８の加工部位に供給されるため、砥粒６１の濃度の違いによる加工の斑を減少させることができる。また、各工具４６に接触する砥粒６１の濃度も均一になることで各工具４６も均一に摩耗していくため工具４６の交換回数を減少させることができる。

砥粒液６０が加工材料５８の上面を流れていくと、図３に示すように、傾斜された加工材料５８の上面のうち比較的低い部分の近傍に配置された砥粒排出口７８から砥粒液６０が排出され、砥粒貯留部６４に戻り、再び砥粒供給口７６から加工材料５８の上面に供給される。このように、砥粒液６０を循環させることで砥粒液６０に含まれる砥粒６１が均一に摩耗するため、加工の斑を減少させると共に砥粒液６０の交換回数を減少させることができる。

加工材料５８の加工が完了すると、制御部８０が砥粒供給手段６２のポンプ７４による砥粒液６０の供給を停止し、傾斜手段２０によりコラム１６の位置を図２に示すような鉛直方向に戻す。続いて、移動手段２８により工具４６と加工材料５８とを離間させ、材料固定台５４から加工材料５８が取り外される。

本実施形態の超音波加工装置１０によれば、常に均一な濃度の砥粒液６０が加工材料５８の加工部位に供給されるため、砥粒６１の濃度の違いによる加工の斑を減少させることができる。また、各工具４６に接触する砥粒６１の濃度も均一になることで各工具４６も均一に摩耗していくため工具４６の交換回数を減少させることができる。
また、砥粒液６０を循環させることで砥粒液６０に含まれる砥粒６１が均一に摩耗するため、加工の斑を減少させると共に砥粒液６０の交換回数を減少させることができる。

なお、上記の実施形態では、コラム１６が予め設定された角度だけ傾斜された状態で、制御部８０に予め設定された供給量の砥粒液６０を加工材料５８の上面に供給したが、これに限るものではない。例えば、使用される加工材料５８および砥粒液６０等の条件に応じてコラム１６を任意角度に傾斜させ、この傾斜角度をオペレータが手動で制御部８０に入力、あるいは図示しない傾斜センサで自動的に検出して制御部８０に入力させ、制御部８０がコラム１６の傾斜角度に対応した適切な供給量を算出して砥粒供給手段６２により供給することもできる。
さらに、砥粒貯留部６４に貯留された砥粒液６０の温度に対応した供給量を制御部８０が算出して砥粒供給手段６２により供給するように構成してもよい。

また、均一な濃度の砥粒液６０が加工材料５８の加工部位に供給されれば、砥粒供給口７６の配置は特に限定されない。
また、工具４６と加工材料５８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５６を使用しなくてもよい。

１０超音波加工装置
１２フレーム
１４回転軸
１６コラム
１８シーブ
２０傾斜手段
２２操作ハンドル
２４ウォーム
２６ハス歯歯車
２８移動手段
３０レール
３２第１の移動台
３４第２の移動台
３６第１の移動手段
３７第２の移動手段
３８超音波加工機構
４０振動発生部
４２第１ホーン
４４第２ホーン
４６工具
４８ワイヤ
５０カウンタウェイト
５２材料固定手段
５４材料固定台
５６位置合わせ治具
５８加工材料
６０砥粒液
６１砥粒
６２砥粒供給手段
６４砥粒貯留部
６６砥粒供給管
６８砥粒排出管
７０砥粒受け皿
７２温度調節部
７４ポンプ
７６砥粒供給口
７８砥粒排出口
８０制御部

Claims

超音波振動により振動する工具が、加工材料の上面に供給される砥粒を介して振動波を与えることで前記加工材料を加工する超音波加工装置であって、
前記加工材料の上面に砥粒を供給する砥粒供給手段と、
前記工具と前記加工材料との相対位置を保った状態で前記工具と前記加工材料を傾斜させる傾斜手段を有し、
前記傾斜手段により前記工具と前記加工材料を傾斜させた状態で前記加工材料を加工することを特徴とする超音波加工装置。
前記砥粒供給手段は、前記傾斜手段により傾斜された前記加工材料の上面部分のうち比較的高い部分の近傍に配置された砥粒供給口から砥粒を供給すると共に、前記加工材料の上面部分のうち比較的低い部分の近傍に配置された砥粒排出口から砥粒を排出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。
前記砥粒供給手段は、前記砥粒排出口から排出された前記砥粒を再び前記砥粒供給口から前記加工材料に供給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。
前記加工材料の傾斜角度に基づいて、前記砥粒供給手段により前記加工材料の上面に供給される前記砥粒の供給量を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１〜３のいずれかに記載の超音波加工装置。
前記砥粒の温度を調節する温度調節部をさらに有することを特徴とする請求項４に記載の超音波加工装置。