JP5255882B2 - 超音波振動子を備えた切削工具 - Google Patents

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本発明は、各種被加工物を切削する切削工具に関するものである。
ＩＣ、ＬＳＩ等のデバイスが分割予定ラインによって区画されて複数形成されたウェーハは、外周に切削砥石を備えた切削工具を高速回転させて分割予定ラインに切り込ませて切削することにより個々のデバイスに分割される。
ところが、サファイヤ、ＳｉＣ等の難削材については、単に切削工具を切り込ませるだけでは切削が円滑に行われないという問題がある。そこで、切削工具を超音波によって径方向に振動させ、切削工具の回転と共に径方向の振動も利用して、切断や溝入れ等の加工が行われている（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−２９１６３６号公報
しかし、上記の切削工具は、両側からフランジによって挟持されナットによって回転軸に固定されるため、超音波振動子から発生する超音波振動が切削砥石に充分に伝達されず、被切削物、特に難削材を円滑に切削することができないという問題がある。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、外周に切削砥石を備えると共に超音波振動子による振動が可能な切削工具において、超音波振動子において発生した振動が切削砥石に充分伝達されるようにして切削を円滑に行うことにある。
本発明は、被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物を切削する切削手段とを少なくとも備えた切削装置において使用される切削工具に関するもので、該切削手段は、スピンドルと、該スピンドルの端部に備えた切削工具取付部とを含み、該切削工具取付部は、該スピンドルに固定された固定フランジと、該固定フランジから突出し先端部に雄ネジが形成された支持軸と、該支持軸に係合する開口部を有する着脱フランジと、該着脱フランジと一体または別体に形成され前記雄ネジに螺着し該着脱フランジを締結するナットとから構成され、該切削工具は、基台と、該基台の外周に形成された切削砥石と、該基台に備えた超音波振動子と、該基台の中心部に形成され該支持軸に係合する係合孔と、該固定フランジと該着脱フランジとで挟持される被挟持部と、該被挟持部と該超音波振動子との間に第一の同心円領域に等間隔に形成された２個以上の第一の隔壁によって規制される第一の貫通孔と、該第一の同心円領域より大径の第二の同心円領域に該第一の隔壁と連接する該第一の隔壁の中央部に形成された該第一の隔壁と同数の第二の隔壁によって規制される第二の貫通孔とから構成され、該固定フランジは、該切削工具の一方の面を支持する壁部を備え、該壁部には、該切削工具の該被挟持部および該貫通孔よりも外周側に配設された該超音波振動子に対して交流電流を伝達可能な状態で、該超音波振動子を振動させるための電力を出力する電極が露出し、該超音波振動子は、該電極から伝達された電力によって振動することを特徴とする。
本発明では、切削工具の基台における被挟持部と超音波振動子との間に第一と第二の貫通孔とを同心円状に形成したことにより、超音波による振動を抑制する力が大幅に解放されるため、貫通孔が形成されていない従来の切削工具と比較して、超音波振動の径方向の振幅を略均等に大きくすることができ、円滑な切削が可能となる。
図１に示す切削工具１は、円形に形成された基台１０の外周部に切削砥石１１が形成されて構成される。基台１０の中心部には、回転軸に係合させるための係合孔１２が形成されており、図１及び図２に示すように、基台１０の両面には環状の超音波振動子１３が埋め込まれている。超音波振動子１３としては、チタン酸バリウム（BaTio３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zi,Ti)O３）、リチウムタンタレート（LiTaO３）等を用いることができる。
係合孔１２と超音波振動子１３との間には、基台１０の表裏を貫通する第一の貫通孔１４と第二の貫通孔１５とが形成されている。これら第一及び第二の貫通孔１４、１５は、回転時の回転バランスがとれるように２以上形成される。特に、第一の貫通孔１４は、第一の同心円領域１４ａにおいて等間隔に形成された２個以上の第一の隔壁１０ａによって規制されて等間隔に２個以上の貫通孔が対称的に形成され、第二の貫通孔１５も同様に第一の同心円領域１４ａより大径の第二の同心円領域１５ａに第一の隔壁１０ａと隣接する第一の隔壁１０ａの中央部に形成された第一の隔壁１０ａと同数の第二の隔壁１０ｂによって規制されて等間隔に２個以上の貫通孔が対称的に形成される。
この場合に、第一及び第二の貫通孔１４、１５は、それぞれ同心円状に弧状を呈する不連続で複数の貫通孔とするものであって、図示の実施例では６個の不連続な弧状の貫通孔を示してあるが、これに限定されることなく、回転バランスがとれるように２個以上複数個設けられ、第一の貫通孔１４と第二の貫通孔１５とが相互に位置的（角度的）に重なり合わないようにずらした状態、即ち、複数形成される第一の隔壁１０ａと第二の隔壁１０ｂとが一致しないように角度的にバランス良くずらして形成するものである。つまり、係合孔１２と超音波振動子１３との間の基台１０に、弧状を呈する不連続な複数の貫通孔を同心円状に少なくとも２条形成したものであれば良いのである。
図１及び図２に示した切削工具１は、例えば図３に示す切削装置２において用いられる。この切削装置２は、被加工物を保持してＸ軸方向に移動可能なチャックテーブル２０と、被加工物を切削するＹ軸方向及びＺ軸方向に移動可能な切削手段２１とを備えており、図１及び図２に示した切削工具１は、切削手段２１に搭載される。
この切削装置２では、被加工物Ｗは、例えば粘着テープＴに貼着され、粘着テープＴがリング状のフレームＦの開口部を塞ぐように貼着されることにより、被加工物Ｗが粘着テープＴを介してフレームＦと一体となった状態となる。そして、その状態で被加工物Ｗがチャックテーブル２０に保持され、チャックテーブル２０がＸ軸方向に移動すると共に切削手段２１がＹ軸方向及びＺ軸方向に移動しながら被加工物Ｗに作用することにより、被加工物Ｗが切削される構成となっている。
図４に示すように、切削手段２１においては、スピンドルハウジング２２によってスピンドル２３が回転可能に支持されている。スピンドル２３には、先端部に向けて小径となるテーパー部２３ａが形成されており、テーパー部２３ａの先端側には、雄ネジ部２３ｂが形成されている。
スピンドル２３には、まず、給電部２４が挿入される。給電部２４では、環状の給電コイル２４ａを枠体２４ｂの内部に備えており、枠体２４ｂの外側には、給電コイル２４ａと接続された２つの端子２４ｃを備えている。この給電部２４は、ネジ止め部２４ｄにおいてネジ止めによりスピンドルハウジング２２に固定される。
給電部２４がスピンドル２３に挿入されてスピンドルハウジング２２に固定されると、次に、固定フランジ２５がスピンドル２３に挿入される。固定フランジ２５は、スピンドル２３と係合する孔２５ａと、切削工具１の一方の面を支持する壁部２５ｂとを備えており、壁部２５ｂにおいては電極２５ｃが露出している。
また、固定フランジ２５からは、スピンドル２３と同方向の軸心を有する支持軸２６が突出して形成されている。支持軸２６の先端部には雄ネジ２６ａが形成されている。
図５に示すように、固定フランジ２５の壁部２５ｂの裏側には、環状の受電コイル２５ｄを備えている。固定フランジ２５がスピンドル２３に挿入されると、図４に示した孔２５ａがスピンドル２３のテーパー部２３ａと係合し、給電コイル２４ａと受電コイル２５ｄとが非接触の状態で対面してロータリートランスが構成される。
給電部２４及び固定フランジ２５がスピンドル２３に挿入されると、次に、図４に示す固定ナット２７が雄ネジ部２３ｂに螺着され、図６に示すように、固定フランジ２５がスピンドル２３に固定される。
図６に示すように、固定フランジ２５には、切削工具１が挿入される。次に、着脱フランジ２８の開口部２８ａを支持軸２６に挿入し、ナット２９を雄ネジ２６ａに螺着すると、図７に示すように、切削手段２１が構成される。すなわち、固定フランジ２５と支持軸２６と着脱フランジ２８とナット２９とは、図６に示すように、切削工具取付部３０として機能するものである。なお、着脱フランジ２８とナット２９とを一体に形成したものでも良い。
図７に示すように、給電部２４に形成された２つの端子２４ｃは、交流電源３１に接続されている。また、交流電源３１における周波数は、周波数変換器３２において設定可能となっている。図７のように切削手段２１が構成された状態では、図４及び図６に示した２つの電極２５ｃから超音波振動子１３に対して交流電力が伝達可能な状態となる。周波数変換器３２としては、例えば株式会社エヌエフ回路設計ブロックが提供するデジタルファンクションジェネレータ「DF-1905」を使用することができる。このデジタルファンクションジェネレータによれば、ＤＣ〜５００［ｋＨｚ］までの調整が可能である。
図７及び図８に示すように、少なくとも着脱フランジ２８は、切削工具１の基台１０に形成された第一の貫通孔１４と第二の貫通孔１５とを塞がない位置において基台１０に当接している。したがって、図１及び図６に示すように、基台１０のうち、着脱フランジ２８が当接して固定フランジ２５との間で挟持される部位は、被挟持部１０ｃとなっており、超音波振動子１３と被挟持部１０ｃとの間に第一貫通孔１４と第二の貫通孔１５とが同心円状に位置する。
図７及び図８に示した切削手段２１において、周波数変換器３２において周波数を設定して交流電源３１から交流電圧を印可すると、図４及び図５に示した給電コイル２４ａに流れる電流によって受電コイル２５ｄに起電力が生じ、電極２５ｃからその電力が出力されて超音波振動子１３が振動する。そうすると、その振動が切削砥石１１に伝わり、切削砥石１１が径方向に超音波振動する。
図６に示したように、切削工具１は、固定フランジ２５及び着脱フランジ２８によって挟持されて固定されているため、超音波振動子１３が振動しても、固定フランジ２５及び着脱フランジ２８によって切削工具１の振動を抑制する力が働くが、切削工具１には不連続な孔群からなる第一の貫通孔１４と第二の貫通孔１５とが同心円状に位置をずらして形成されているため、これら２条の貫通孔１４、１５によって、振動を抑制する力を大きく解放する。したがって、基台１０の外周部に形成された切削砥石１１に超音波振動が充分に伝達され、このような２条の貫通孔が形成されていない切削工具と比較して、切削工具１の径方向の振幅がさらに大幅に大きくなる。
超音波振動子１３としてチタン酸ジルコン酸鉛で形成されたものを使用し、貫通孔が形成されていない切削工具と、図１等に示した第一及び第二の貫通孔１４、１５が形成されている切削工具１とで、同一周波数、同一電圧の超音波を使用して、それぞれの切削工具の切削砥石の振幅を計測した。貫通孔が形成されていない切削工具の振幅を表１に示し、第一及び第二の貫通孔１４、１５が形成されている切削工具１の振幅を表２に示す。表中の数値は、交流電圧の実効値を１５０［Ｖｒｍｓ］、周波数を５０［ｋＨｚ］としたときの計測値である。
表１
Figure 0005255882
表２
Figure 0005255882
上記表１及び表２から、２条の貫通孔１４、１５を設けた切削工具１では、貫通孔を設けていない従来の切削工具の約３０倍以上で全体的に均等化した振幅を得られることが確認された。
切削工具の一例を示す斜視図である。 切削工具の一例を示す断面図である。 切削装置の一例を示す斜視図である。 切削手段を構成するスピンドル、給電部、固定フランジ及び固定ナットを示す斜視図である。 固定フランジを示す斜視図である。 切削手段を構成するスピンドル、切削工具取付部及び切削工具を示す斜視図である。 切削手段と交流電源との接続状態を示す斜視図である。 切削手段を略示的に示す断面図である。
符号の説明
１：切削工具
１０：基台 １０ａ：第一の隔壁 １０ｂ：第二の隔壁 １０ｃ：被挟持部
１１：切削砥石 １２：係合孔 １３：超音波振動子 １４：第一の貫通孔
１４ａ：第一の同心円領域 １５：第二の貫通孔 １５ａ：第二の同心円領域
２：切削装置
２０：チャックテーブル
２１：切削手段
２２：スピンドルハウジング ２３：スピンドル
２４：給電部 ２４ａ：給電コイル ２４ｂ：枠体 ２４ｃ：端子 ２４ｄ：ネジ止め部
２５：固定フランジ ２５ａ：孔 ２５ｂ：壁部 ２５ｃ：電極 ２５ｄ：受電コイル
２６：支持軸 ２６ａ：雄ネジ
２７：固定ナット
２８：着脱フランジ ２９：ナット ３０：切削工具取付部
３１：交流電源 ３２：周波数変換器

Claims (1)

  1. 被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物を切削する切削手段とを少なくとも備えた切削装置において使用される切削工具であって、
    該切削手段は、スピンドルと、該スピンドルの端部に備えた切削工具取付部とを含み、 該切削工具取付部は、該スピンドルに固定された固定フランジと、該固定フランジから突出し先端部に雄ネジが形成された支持軸と、該支持軸に係合する開口部を有する着脱フランジと、該着脱フランジと一体または別体に形成され前記雄ネジに螺着して着脱フランジを締結するナットとから構成され、
    該切削工具は、基台と、該基台の外周に形成された切削砥石と、該基台に備えた超音波振動子と、該基台の中心部に形成され該支持軸に係合する係合孔と、該固定フランジと該着脱フランジとで挟持される被挟持部と、該被挟持部と該超音波振動子との間に第一の同心円領域に等間隔に形成された２個以上の第一の隔壁によって規制される第一の貫通孔と、
    該第一の同心円領域より大径の第二の同心円領域に該第一の隔壁と隣接する該第一の隔壁の中央部に形成された該第一の隔壁と同数の第二の隔壁によって規制される第二の貫通孔とから構成され、
    該固定フランジは、該切削工具の一方の面を支持する壁部を備え、該壁部には、該切削工具の該被挟持部および該貫通孔よりも外周側に配設された該超音波振動子に対して交流電流を伝達可能な状態で、該超音波振動子を振動させるための電力を出力する電極が露出し、
    該超音波振動子は、該電極から伝達された電力によって振動する切削工具。
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