JP2013031887A - Grinding tool - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、研磨対象物の表面を研磨するために用いられ研磨具に関する。 The present invention relates to a polishing tool used for polishing the surface of an object to be polished.
従来より、電子部品の製造のため、サファイア基板、ガラス基板、シリコンカーバイト基板、シリコン基板、あるいはアルミナーチタンカーバイト基板などが用いられている。これらの基板の表面は、環状の砥石を備える研磨具とその駆動装置とから構成される研磨装置を用いて平滑に研磨される。 Conventionally, a sapphire substrate, a glass substrate, a silicon carbide substrate, a silicon substrate, an alumina-titanium carbide substrate, or the like has been used for manufacturing electronic components. The surfaces of these substrates are polished smoothly using a polishing apparatus comprising a polishing tool including an annular grindstone and a driving device thereof.
特許文献1の研磨具は、駆動装置の回転軸の下端部に回転軸に対して垂直に固定される環状の支持板(接続板)、支持板の下方に複数個(合計で6個)の接続部材(接続部)を介して支持されている、下面に環状の砥石が装着された環状砥石装着板(環状弾性体)、および砥石装着板に固定された複数個(合計6個)の超音波振動子から構成されている。 The polishing tool disclosed in
前記の各接続部材の幅(砥石装着板の径方向に沿う長さ)は、砥石装着板の幅と等しくされている。支持板の各ねじ孔と各接続部材のねじ孔と各接続部材のねじ孔とにボルトをねじ込むことにより、支持板と砥石装着板とが複数個の接続部材を介して互いに固定される。 The width of each connecting member (the length along the radial direction of the grindstone mounting plate) is made equal to the width of the grindstone mounting plate. By screwing the bolts into the screw holes of the support plate, the screw holes of the connection members, and the screw holes of the connection members, the support plate and the grindstone mounting plate are fixed to each other via the plurality of connection members.
研磨具を備える研磨装置では、次のようにして研磨対象物の表面の研磨が行われる。先ず、駆動装置の回転軸を研磨具と共に回転させる。次に、各々の超音波振動子に電気エネルギー(例、交流電圧)を付与することにより、各振動子にて超音波振動を発生させる。この超音波振動は砥石装着板を介して砥石に付与されるため、砥石が超音波振動する。そして研磨具の砥石を研磨対象物に接触させることにより、研磨対象物の表面の研磨が行なわれる。 In a polishing apparatus provided with a polishing tool, the surface of an object to be polished is polished as follows. First, the rotating shaft of the driving device is rotated together with the polishing tool. Next, by applying electrical energy (eg, AC voltage) to each ultrasonic transducer, ultrasonic vibration is generated in each transducer. Since this ultrasonic vibration is applied to the grindstone via the grindstone mounting plate, the grindstone vibrates ultrasonically. Then, the surface of the polishing object is polished by bringing the grindstone of the polishing tool into contact with the polishing object.
研磨具の砥石装着板の互いに隣接する接続部材の間の部位は、接続部材に接続されている部位と比較して超音波振動し易い。したがって、各々の超音波振動子にて発生した超音波振動は、接続部材、そして支持板を介して回転軸に伝わり難く、その大部分が砥石装着板を介して砥石に付与される。このため、砥石が大きな振幅にて超音波振動する。これにより砥石と研磨対象物との摩擦抵抗が小さくなり、この摩擦により発熱が抑制され、研磨対象物の熱膨張や変質が抑制されるため、研磨対象物の表面にて研磨されると記載されている。 The part between the connection members adjacent to each other on the grindstone mounting plate of the polishing tool is likely to vibrate ultrasonically as compared with the part connected to the connection member. Therefore, the ultrasonic vibration generated by each ultrasonic vibrator is hardly transmitted to the rotating shaft via the connecting member and the support plate, and most of the vibration is applied to the grindstone via the grindstone mounting plate. For this reason, the grindstone vibrates ultrasonically with a large amplitude. As a result, the frictional resistance between the grindstone and the object to be polished is reduced, heat generation is suppressed by this friction, and thermal expansion and alteration of the object to be polished are suppressed, so that polishing is performed on the surface of the object to be polished. ing.
特許文献2の研磨具では、環状の砥石は、駆動装置の回転軸の下端部に固定された円板部とその周縁から下方に伸びる円筒部の外周面には円環状外側溝が、そして内周面には円環状内側溝が形成されている。溝と溝との深さの合計は、円筒部の厚みよりも大きく設定される。したがって、溝と溝とは、円筒部に互いに上下に間隔をあけて形成される。 In the polishing tool disclosed in
研磨具では、超音波振動子にて発生した超音波振動が、円筒部と溝の内部の空気層との界面から形成される超音波反射面にて反射され、その大部分が円筒部の溝よりも下側の部分を介して砥石に付与される。このため、研磨対象物の表面が高精度にて研磨されると記載されている。 In the polishing tool, the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator is reflected by the ultrasonic reflecting surface formed from the interface between the cylindrical portion and the air layer inside the groove, and most of the ultrasonic vibration is reflected in the groove of the cylindrical portion. It is applied to the grindstone through the lower part. For this reason, it describes that the surface of a grinding | polishing target object is grind | polished with high precision.
特許文献1の研磨具は、砥石装着板の接続部材に接続された部位が超音波振動が相対的に他の部位に比較して小さいため、接続部材と対応する砥石装着板に装着された砥石の部位の超音波振動も小さい。このため、砥石の偏摩耗(砥石が周方向において不均一に摩耗)して、長時間の使用により研磨の精度が低下する可能性がある。 In the polishing tool disclosed in
特許文献2の研磨具では、研磨対象物の表面を高精度で研磨するために研磨対象物の研磨面に平行に超音波振動し易い。しかし、研磨面の垂直方向の超音波振動は研磨面と平行な方向に比較して小さい。研磨抵抗を小さくするためには、平行方向に比較して垂直方向の超音波振動が大きいことが望まれる。 In the polishing tool disclosed in
本発明の課題は、砥石の偏摩耗が発生し難く、そして研磨抵抗の小さい研磨具を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a polishing tool in which uneven wear of a grindstone hardly occurs and the polishing resistance is small.
本発明は、回転軸の下端部に該回転軸に対して垂直に固定される支持板があり、円盤状の砥石装着板に接続部と砥石保持部を持ち、砥石装着板の接続部と該支持板が接続され、砥石装着板の砥石保持部に連続した、または不連続の環状の砥石が装着され、そして該砥石装着板に超音波振動子が固定されている研磨具とするものである。 The present invention has a support plate fixed perpendicularly to the rotating shaft at the lower end of the rotating shaft, the disk-shaped grindstone mounting plate has a connecting portion and a grindstone holding portion, and the connecting portion of the grindstone mounting plate and the A polishing tool in which a support plate is connected, a continuous or discontinuous annular grindstone is mounted on the grindstone holding portion of the grindstone mounting plate, and an ultrasonic vibrator is fixed to the grindstone mounting plate. .
前記砥石装着板の接続部と砥石装着板の砥石保持部の半径方向の距離S1、S2が、砥石装着板の接続部の幅Wより小さくするものである。 The distances S1 and S2 in the radial direction between the connecting portion of the grindstone mounting plate and the grindstone holding portion of the grindstone mounting plate are made smaller than the width W of the connecting portion of the grindstone mounting plate.
円盤状の砥石装着板に接合された超音波振動子を円盤状とするものである。 An ultrasonic transducer bonded to a disk-shaped grindstone mounting plate is formed into a disk shape.
本発明は、回転軸の下端部に該回転軸に対して垂直に固定される支持板があり、円環状の砥石装着板に接続部と砥石保持部を持ち、砥石装着板の接続部と該支持板が接続され、砥石装着板の砥石保持部に連続した、または不連続の環状の砥石が装着され、そして該砥石装着板に超音波振動子が固定されている研磨具とするものである。 The present invention has a support plate fixed perpendicularly to the rotating shaft at the lower end of the rotating shaft, and has an annular grindstone mounting plate having a connecting portion and a grindstone holding portion, and the connecting portion of the grindstone mounting plate and the connecting portion A polishing tool in which a support plate is connected, a continuous or discontinuous annular grindstone is mounted on the grindstone holding portion of the grindstone mounting plate, and an ultrasonic vibrator is fixed to the grindstone mounting plate. .
前記砥石装着板の接続部と砥石装着板の砥石保持部の半径方向の距離S1、S2が、砥石装着板の接続部の幅Wより小さくするものである。 The distances S1 and S2 in the radial direction between the connecting portion of the grindstone mounting plate and the grindstone holding portion of the grindstone mounting plate are made smaller than the width W of the connecting portion of the grindstone mounting plate.
円環状の砥石装着板に接合された超音波振動子を円盤状とするものである。 An ultrasonic transducer bonded to an annular grindstone mounting plate is formed into a disk shape.
本発明の研磨具は、研磨対象物と砥石の摩擦力を軽減することができるので、研磨速度を向上させることができる、また研磨対象物と砥石の発熱を低減できるため、高精度である研磨面を得ることができる。 The polishing tool of the present invention can reduce the frictional force between the object to be polished and the grindstone, so that the polishing rate can be improved, and the heat generation of the object to be polished and the grindstone can be reduced. You can get a plane.
本発明の研磨具の構成を、添付の図面を用いて説明する。図1は、本発明の研磨具の構成例を示す断面図であり、そして図2は、図1に記入した切断線A−Aに沿って切断した研磨具の断面図である。 The configuration of the polishing tool of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of the polishing tool of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the polishing tool cut along a cutting line AA written in FIG.
図1及び図2に示す研磨具1は、回転軸8の下端部に回転軸8に対して垂直に固定された支持板10に、円盤状の砥石装着板の接続部3を図示しないボルトにより接続する。砥石装着板2は、砥石5を保持するリング状の砥石保持部4と支持板10と接続するリング状の接続部3を持っている。また、砥石装着板2の上面の中心と円盤状の超音波振動子7を一致させてエポキシ樹脂を用いて接着する。 The
研磨具1は、回転軸8の下端部に、例えば、ボルトを用いて固定される。駆動装置としては、例えば、前記特許文献1あるいは特許文献2に記載された研磨装置に備えられている駆動装置を用いることができる。なお、回転軸は、水平方向に配置されてもよい。この場合、本発明の研磨具の「上側」とは支持板の側を、そして「下側」とは砥石の側を意味する。 The
支持板10は、例えば、図示しないボルトを用いて砥石装着板の接続部3を固定する。ここで砥石装着板の接続部3は、砥石装着板2と分離してもよい。そして、砥石装着板2と接続部3をボルトで接合するか、または接着剤で接合しても良い。 The
また砥石装着板2は、リング状の砥石保持部4を持つ。リング状の砥石保持部4は砥石5に近づくに従い、リングが細くなる形状でもよい。これは、砥石5に半径方向の不要な振動を与えないためである。砥石保持部4の下面には、周溝6が形成されている。この周溝6に砥石5が嵌め合わせられて固定されている。砥石保持部4と砥石5とは、例えば、接着剤を用いて固定することもできる。なお、回転軸8と支持板10、支持板10と砥石装着板の接続部3、砥石装着板の砥石保持部4と砥石5のそれぞれの固定方法に特に制限はない。 The
砥石装着板2は超音波振動の減衰の小さい材料が適しているため、砥石装着板2の材料は、例えば、アルミニウム、青銅、ステンレススチール、アルミニウム合金、及びチタン合金に代表される金属材料から形成することができる。 Since a material with small attenuation of ultrasonic vibration is suitable for the
環状の砥石5としては、例えば、ダイアモンド砥粒に代表される砥粒を、金属ボンドやレジンボンドで結着して連続した環状の形状に設定された砥石(連続した環状の砥石)を用いることができる。通常、砥粒の平均粒径は、0.1〜50μmの範囲内に設定される。 As the
環状の砥石5としては、環状に並べて配置された複数個(例えば2〜200個)の砥石片の集合体」(不連続の環状の砥石)を用いることができる。不連続の環状の砥石は、上記の連続した環状の砥石と比較して、その作成が(特に環状の砥石の径が大きい場合に)容易である。また、研磨の際に砥石内部に生じる応力を低減するため、砥石の破損の発生が抑制される。 As the
研磨具1では、1個の円盤状の超音波振動子7が用いられている。超音波振動子7としては、例えば、圧電体の上面及び下面の各々に電極層を付設した構成の圧電振動子が用いられる。 In the
圧電体の材料の例としては、ジルコン酸チタン酸鉛系の圧電セラミック材料が挙げられる。圧電体は、例えば、その厚み方向(図1の上下方向)に分極処理される。電極層の材料の例としては、銀、金そしてリン青銅などの金属材料が挙げられる。 Examples of the piezoelectric material include lead zirconate titanate-based piezoelectric ceramic materials. For example, the piezoelectric body is polarized in the thickness direction (vertical direction in FIG. 1). Examples of the material for the electrode layer include metal materials such as silver, gold, and phosphor bronze.
超音波振動子7は、例えば、エポキシ樹脂を用いて砥石装着板2に固定される。超音波振動子7は、砥石装着板2の上面、下面、外周面及び内周面の何れの面に固定してもよいが、砥石装着板2の上面に固定することが好ましい。これにより、研磨の際に研磨対象物の表面に供給される研削補助液(代表例、水)を介した超音波振動子7の上下面の電極層の電気的な短絡が防止される。 The
超音波振動子7は、その電極層に電源にて発生した電気的エネルギーが付設されると超音波振動を発生する。この超音波振動は砥石装着板2を介して砥石5に付与される。超音波振動子7と電源とは、例えば、ロータリートランスやスリップリングを介して互いに電気的に接続される。超音波振動子7と電源との電気的な接続方法については、前記の特許文献1及び特許文献2の各々に詳しい記載がある。 The
図1の研磨具1の場合、砥石装着板の接続部3の上端が固定され、砥石装着板の接続部3と砥石保持部4が垂直方向に直線状にあり、砥石装着板の接続部3を支持板10で固定し、そして内周部に超音波振動子7があるため、図3に示す振動モードが出現する。 In the case of the
図3(A)は、円盤状の砥石装着板2が板に垂直方向に図3(A)の実線で示す撓み振動をして外周部に伝搬し、砥石装着板の接続部3と砥石保持部4に点線の矢印で示す縦方向の振動を励起する。図面を簡略化するために砥石保持部4に接合する砥石を省略した。 FIG. 3A shows that the disc-shaped
図3(B)は、円盤状の砥石装着板2が板に平行方向に図3(B)の実線の矢印で示す径方向の振動をして外周部に伝搬し、砥石装着板の接続部3と砥石保持部4に点線で示す撓み振動を励起する。図面を簡略化するために砥石保持部4に接合する砥石5を省略した。 3 (B) shows that the disc-shaped grinding
本発明者は、図3で示すように円盤の外周の上下方向にリング状の突起を設け、そしてリング状の突起の一方の端面を固定することにより、円盤の振動をリング状の突起で振動モードを変換することができることを発案した。 As shown in FIG. 3, the present inventor provided ring-shaped protrusions in the vertical direction of the outer periphery of the disk, and fixed one end surface of the ring-shaped protrusion to vibrate the vibration of the disk with the ring-shaped protrusion. Invented that the mode can be converted.
図3(A)に示す振動モードを励起することにより、砥石5に研磨対象物の面に垂直方向の超音波振動を発生させることができる。この超音波振動により砥石5と研磨対象物との摩擦抵抗を小さくできため、砥石5と研磨対象物の摩擦による発熱が抑制され、研磨対象物の熱膨張が抑制され研磨対象物の表面が高精度に研磨できる。また砥石も同様に発熱が抑制されるため砥石のライフが伸びる。 By exciting the vibration mode shown in FIG. 3A, ultrasonic vibration in the direction perpendicular to the surface of the object to be polished can be generated in the
なお、研磨具1の超音波振動子7に付与する交流電圧の周波数は、例えば、次のようにして定めることができる。有限要素法により砥石装着板の接続部3の端面を固定した条件での、砥石5が装着され、かつ超音波振動子7が固定された砥石装着板2の固有振動モードを計算する。そして所望の振動モードの固有振動数を予め計算する。 The frequency of the AC voltage applied to the
次に実際の砥石5が装着された砥石装着板2に固定された超音波振動子7の周波数特性を、例えば、インピーダンスアナライザを用いて測定する。そして先に有限要素法を用いて計算した所望の固有振動モードの固有振動数に近い周波数特性のピークの交流電圧の周波数を、砥石装着板2に接合した超音波振動子7に印加する。 Next, the frequency characteristic of the
そして所望の振動モードであることを確認するため、例えばレーザドプラー振動計により砥石5および砥石装着板2の超音波振動の変位量を測定する。 And in order to confirm that it is a desired vibration mode, the displacement amount of the ultrasonic vibration of the
本発明の研磨具1では、砥石装着板2の外周部にあるリング状の接続部3の高さT2がリング状の接続部Wの0.1倍以上で2倍より小さいことが好ましい。接続部の高さT2が0.1倍より小さいと砥石保持部の超音波振動が小さくなってしまう。また、接続部の高さT2が2倍以上であると振動モード変換機能が十分に発揮できない。 In the
また研磨具1では、図4に示すように砥石装着板2の外周部にあるリング状の接続部3と砥石保持部4は同じ形状が最も望ましいが、図5、図6で示すように接続部3と砥石保持部4の水平方向の距離S1、S2が接続部の幅wより小さければ振動モード変換機能が働く。 Further, in the
研磨具1の超音波振動子7の位置は、最も歪の大きい砥石装着板2の中心が望ましい。また超音波振動子7の形状は円盤状が望ましい。これは、全円周方向に均一な振動を付与するためである。 The position of the
図7は、本発明の別の構成例を示す断面図である。そして図8は、図7に記入した切断線B−Bに沿って切断した研磨具1の断面図である。 FIG. 7 is a cross-sectional view showing another configuration example of the present invention. 8 is a cross-sectional view of the
図7に示す研磨具1は、回転軸8の下端部に回転軸8に対して垂直に固定された支持板10に、円環状の砥石装着板2を図示しないボルトにより接続する。砥石装着板2は、砥石5を保持するリング状の砥石保持部4と支持板と接続するリング状の接続部3を持っている。また、砥石装着板2の上面の中心と円環状の超音波振動子7を一致させてエポキシ樹脂を用いて接着する。 In the
研磨具1は、回転軸8の下端部に、例えば、ボル9トを用いて固定される。駆動装置としては、例えば、前記特許文献1あるいは特許文献2に記載された研磨装置に備えられている駆動装置を用いることができる。なお、回転軸8は、水平方向に配置されてもよい。この場合、本発明の研磨具の「上側」とは支持板の側を、そして「下側」とは砥石の側を意味する。 The
支持板10は、例えば、図示しないポルトを用いて砥石装着板の接続部3を固定する。ここで砥石装着板の接続部3は、砥石装着板2と分離してもよい。そして、砥石装着板2と接続部3をボルトで接合するか、または接着剤で接合しても良い。 The
また砥石装着板2は、リング状の砥石保持部4を持つ。リング状の砥石保持部4は砥石5に近づくに従い、リングが細くなる形状でもよい。これは、砥石5に半径方向の不要な振動を与えないためである。砥石保持部4の下面には、周溝6が形成されている。この周溝6に砥石5が嵌め合わせられて固定されている。砥石保持部4と砥石5とは、例えば、接着剤を用いて固定することもできる。なお、回転軸8と支持板10、支持板10と砥石装着板の接続部3、砥石装着板の砥石保持部4と砥石5のそれぞれの固定方法に特に制限はない。The
砥石装着板2は超音波振動の減衰の小さい材料が適しているため、砥石装着板2の材料は、例えば、アルミニウム、青銅、ステンレススチール、アルミニウム合金、及びチタン合金に代表される金属材料から形成することができる。 Since a material with small attenuation of ultrasonic vibration is suitable for the
図7は、図1の円盤状の砥石装着板の中心部に貫通する孔15を設けたものである。そして、この孔15を通して研削液を砥石内部から供給できる。これは特に研削抵抗の大きい加工を行うときに有効である。 FIG. 7 shows a
本構成例においても、砥石装着板が円環状であるだけ、円環の外周の上下方向にリング状の突起を設け、そしてリング状の突起の一方の端面を固定することにより、円環状の砥石装着板の振動をリング状の突起(支持部、砥石保持部)で振動モードを変換することは同じである。 Also in this configuration example, an annular grindstone is provided by providing a ring-shaped protrusion in the vertical direction of the outer periphery of the annular ring and fixing one end surface of the ring-shaped protrusion only because the grindstone mounting plate is annular. It is the same that the vibration mode of the mounting plate is converted by the ring-shaped protrusions (support portion, grindstone holding portion).
1 研磨具
2 砥石装着板
3 接続部
4 砥石保持部
5 砥石
6 周溝
7 超音波振動子
8 回転軸
9 ボルト
10 支持板
11 砥石装着板の撓み振動モードを示す実線
12 砥石保持部の縦振動モードを示す点線
13 砥石装着板の円盤の拡縮振動モードを示す実線
14 砥石保持部の曲げ振動モードを示す点線
15 孔DESCRIPTION OF
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