JP6757837B1 - 超音波共振体の支持構造及び超音波振動加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で、組立及び分解を容易に行うことができ、生産性及びメンテナンス性に優れ、超音波共振体の姿勢に関わらず、安定した動作が可能で、加工位置のずれが発生することを防止して、精密な加工を行うことができる耐久性及び信頼性に優れた超音波共振体の支持構造及び超音波振動加工装置を提供する。【解決手段】加工具１２が取付けられる超音波ホーン１３の軸方向の両側に、それぞれ第１、第２のブースター１４、１５が同軸に固定された超音波共振体１６を、ホルダー１７に対して回転可能に両持ち支持する超音波共振体の支持構造１０であって、ホルダー１７は、超音波共振体１６の第１のブースター１４側を回転可能に支持する転がり軸受機構１８と、超音波共振体１６の第２のブースター１５側を回転可能に支持する気体軸受機構１９とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、主に半導体ウエハー（シリコンウエハー）等の硬脆性材料の加工に用いられる超音波共振体の支持構造及び超音波振動加工装置に関する。

特許文献1には、軸方向を水平方向とした超音波共振体（超音波振動回転機構）の先に取付けた円盤状の切断刃（加工具の一種）を回転させながら切断刃の半径方向に超音波振動させると共に、直線移動させてウエハー（切削対象部品）を切断する超音波振動切断装置が開示されている。
特許文献１では、超音波共振体の先端に切断刃が取付けられた片持ち構造となるため、加工中にウエハーから受ける反力により、超音波共振体の先端側が傾き易く、切込み速度が制限されて加工時間が長くなるという問題があった。これに対し、特許文献２、３のように、振動作用部や回転刃（加工具の一種）を取付けた超音波ホーンの軸方向の両側に、ブースターがそれぞれ連結された超音波共振体（超音波振動用共振器）を用い、その軸方向の両側部を支持する両側支持構造を採用した装置も開示されている。
特許文献２、３のように超音波共振体を両側支持する場合、有効な定常波を維持するために支持部のどちらか一方を超音波の振動方向すなわち超音波共振体の軸方向に対して固定せず、超音波共振体の一端側を自由端とする必要がある。
そこで、特許文献２では、回転駆動源との係合の都合により、駆動源側のブースター（第１ブースター）側が、ホルダーに固定された軸受部（アーム）に内殻を介して支持されることにより、軸方向には固定されており、他方のブースター（第２ブースター）側が、ガイドレールに取付けられた軸受部（アーム）により、超音波の振動方向すなわち超音波共振体の軸方向に摺動可能に支持され、自由端となっている。このとき、円柱状のそれぞれのブースターの外周には、特許文献４の第１図〜第３図又は特許文献５の第２図に記載されたものと同様の支持部が設けられている。この支持部は、スカート状のフランジとなっており、該支持部の一部（超音波共振体の軸方向と平行な円筒部）に半径方向の振動エネルギーを吸収するための薄肉部（肉薄な中間部）が設けられている。
また、特許文献３では、超音波共振体の両側を空気軸受（気体軸受）で回転可動に支持しているが、回転駆動源との係合の都合により、駆動源側のブースター（第１のブースター）側が、スラスト空気軸受で軸方向に固定されており、他方のブースター（第２のブースター）側が、空気軸受（ラジアル軸受）内で、超音波の振動方向すなわち超音波共振体の軸方向に摺動可能に支持され、自由端となっている。

特開平２０００−２１０９２８号公報 特開２０００−９３８９４号公報 特開２０１８−１２６９６７号公報 実開平０３−９８９７９号公報 実開平０３−８７５０１号公報

しかしながら、特許文献２では、超音波共振体の軸方向の両側を機械軸受で支持しているため、両側の機械軸受の軸心を一致させなければ、超音波共振体をスムーズに回転させることができず、位置合わせが困難で、組立作業性に欠けるという課題があった。また、機械軸受による支持構造は複雑で、部品点数が多く、加工、分解、及び超音波ホーンの交換にも手間がかかり、生産性及びメンテナンス性にも欠けるという課題があった。さらに、この支持装置を縦向きにして（超音波共振体の軸方向を鉛直方向にして）使用した場合、又は、斜めにして（超音波共振体の軸方向を水平面に対して傾斜させて）使用した場合、下側となる第２ブースターに取付けられた回転筒、軸受（ベアリング）、アーム等の重量も、上側となる第１ブースターを保持している支持部に加わり、長時間の使用により支持部の薄肉部が破損し易く、しかも、第２ブースター側の重量が、超音波共振体の共振状態に影響を与え、耐久性及び動作の安定性に欠けるという課題もあった。また、加工時に、切削水が下側の軸受部の内部に浸入することや、切削屑が下側の軸受部に噛み込むことを防止できず、信頼性に欠けるという課題もあった。
これに対し、特許文献３では、超音波共振体の軸方向の両側を空気軸受で支持しており、第１、第２のブースターに取付けられた第１、第２の回転内殻と、フレームに取付けられた第１、第２の固定外殻は接触しないため、超音波共振体の軸方向が鉛直方向となるように縦向きで使用しても、上側となる第１ブースターを保持する支持部に加わる重量（負担）は少ない。従って、特許文献３において、特許文献２、４、５と同様に、一部に薄肉部を有する支持部（スカート状のフランジ）を採用した場合でも、支持部の薄肉部の破損は発生し難くなる。ところが、超音波共振体の軸方向の支持のためには、第１の固定外殻の外側にスラスト空気軸受を設ける必要があり、縦向きで使用した際に、スラスト空気軸受に供給される空気の圧力が変動すると、超音波共振体が上下方向（軸方向）に移動し、加工位置が変動して精密な加工を行うことができないという課題があった。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、簡素な構成で、組立及び分解を容易に行うことができ、生産性及びメンテナンス性に優れ、超音波共振体の姿勢に関わらず、安定した動作が可能で、加工位置のずれが発生することを防止して、精密な加工を行うことができる耐久性及び信頼性に優れた超音波共振体の支持構造及び超音波振動加工装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る超音波共振体の支持構造は、加工具が取付けられる超音波ホーンの軸方向の両側に、それぞれ第１、第２のブースターが同軸に固定された超音波共振体を、ホルダーに対して回転可能に両持ち支持する超音波共振体の支持構造であって、
前記ホルダーは、前記超音波共振体の前記第１のブースター側を回転可能に支持する転がり軸受機構と、前記超音波共振体の前記第２のブースター側を回転可能に支持する気体軸受機構とを有する。
ここで、加工具は、超音波振動の作用によって切断、切削、研削或いは接合等の加工を行うものである。

第１の発明に係る超音波共振体の支持構造において、前記転がり軸受機構は、前記ホルダーの一側に取付けられた第１の固定円筒部と、該第１の固定円筒部の内側に保持された玉軸受と、内部に前記第１のブースターを保持し、外周を前記玉軸受により支持されて、前記超音波共振体と共に回転する円筒体とを有し、前記気体軸受機構は、前記ホルダーの他側に取付けられた第２の固定円筒部と、該第２の固定円筒部の内側で前記第２のブースターの外周を回転可能に支持するラジアル気体軸受部とを有することが好ましい。

第１の発明に係る超音波共振体の支持構造において、前記第１のブースターの外周には、前記円筒体の内部に保持される支持部が設けられていることが好ましい。

第１の発明に係る超音波共振体の支持構造において、前記超音波ホーン及び前記第１、第２のブースターのそれぞれの軸方向長さは、前記超音波共振体に発生する超音波振動の波長の１／２の長さの整数倍に等しいことが好ましい。

前記目的に沿う第２の発明に係る超音波振動加工装置は、第１の発明に係る超音波共振体の支持構造を備えている。

第２の発明に係る超音波振動加工装置において、前記超音波共振体は、前記第２のブースター側を斜め下向き又は鉛直下向きにして配置する（超音波共振体を水平以外すなわち超音波共振体の軸方向を斜め又は鉛直に配置する場合に、第１のブースター側を上側に配置する）ことが望ましい。

第１の発明に係る超音波共振体の支持構造は、超音波共振体の第１のブースター側を転がり軸受機構で回転可能に支持し、第２のブースター側を気体軸受機構で回転可能に支持するので、第２のブースター側の支持構造の簡素化及び軽量化を図ることができ、第１のブースター側を支持する転がり軸受機構及び第１のブースターに設けられる支持部に加わる負荷を低減して耐久性を向上させると共に、超音波ホーンの交換作業を容易にしてメンテナンス性を向上させることができる。また、第２のブースター側を支持する気体軸受機構のエアギャップが全周にわたって均一でなくても、第１のブースター側が転がり軸受機構により機械的に支持されることにより、超音波共振体の軸心位置が定まるので、転がり軸受機構と気体軸受機構との間で厳密な位置合わせ（芯出し）を行う必要がなく、組立作業性に優れる。超音波共振体は、第１のブースター側の転がり軸受機構で機械的に支持されるので、気体軸受機構へ供給される気体の供給圧力が変動しても、超音波共振体が軸方向に移動することはなく、超音波共振体の支持安定性に優れる。

第２の発明に係る超音波振動加工装置は、第１の発明に係る超音波共振体の支持構造を備えることにより、超音波共振体の姿勢に関わらず、超音波共振体を確実に支持して安定した動作を行うことができ、加工中に気体軸受機構へ供給される気体の供給圧力が変動しても、超音波共振体が軸方向に移動することはなく、加工位置のずれは発生せず、精密加工を行うことができる。
また、超音波共振体が、第２のブースター側を斜め下向き又は鉛直下向きにして配置される（第1のブースター側が上側に配置される）場合は、切削水や切削屑が、第２のブースター側の気体軸受機構に多く降りかかることになるが、第２のブースター側に特別なカバー等を設置しなくても、切削水が気体軸受機構の内部に浸入することや、軸受部に切削屑が噛み込むことを気体軸受機構から噴出する圧縮気体で防止することができ、耐久性、メンテナンス性及び動作の安定性に優れる。

本発明の一実施の形態に係る超音波共振体の支持構造を備えた超音波振動加工装置の要部を示す概略説明図である。 （Ａ）は図１のＡ−Ａ矢視図であり、（Ｂ）は図１のＢ−Ｂ矢視図である。 同超音波振動加工装置の超音波共振体内に発生する定在波の状態を示す説明図である。 同超音波振動加工装置の変形例の超音波共振体内に発生する定在波の状態を示す説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示す本発明の一実施の形態に係る超音波共振体の支持構造１０を備えた超音波振動加工装置１１は、半径方向に超音波振動を行いながら回転する回転刃（加工具の一種）１２で、例えば、シリコンウエハー等の硬脆性材料の加工（切断、切削、研削等）を行うものである。図１に示すように、超音波共振体の支持構造１０は、回転刃１２が取付けられる円盤状の超音波ホーン１３の軸方向の両側に、それぞれ円柱状の第１、第２のブースター１４、１５が同軸に連結された超音波共振体１６を、ホルダー１７に対して回転可能に両持ち支持する構造である。ここで、超音波ホーン１３及び第１、第２のブースター１４、１５は、超音波の伝搬性を同一にするために、同一材質で作製してもよいし、異なる材質で作製してもよく、その組合せは適宜、選択することができる。そして、ホルダー１７は、超音波共振体１６の第１のブースター１４側を回転可能に支持する転がり軸受機構１８と、超音波共振体１６の第２のブースター１５側を回転可能に支持する気体軸受機構１９とを有している。

転がり軸受機構１８は、ホルダー１７の一側（ここでは上側）に取付けられた第１の固定円筒部２０と、第１の固定円筒部２０の内側に保持された玉軸受２１と、内部に第１のブースター１４を保持し、外周を玉軸受２１により支持されて、超音波共振体１６と共に回転する円筒体２２とを有している。ここで、円筒体２２の軸方向の一側（ここでは上側）は閉塞部２３で閉塞され、他側（ここでは下側であり、超音波ホーン１３側）は開口している。そして、第１のブースター１４の外周には、円筒体２２の内部に保持される鍔状の支持部２４が突出して設けられている。また、円筒体２２の軸方向の他側（開口側）には内側空間の拡径部２５が形成されており、この拡径部２５に支持部２４を嵌入することにより、第１のブースター１４を円筒体２２の内部に同心状に配置することができる。そして、拡径部２５の内周面に形成した雌螺子部（図示せず）に、円筒状の締結部材２６を螺合し、拡径部２５の先側（開口側とは反対側、ここでは上側）の段差端面２７と締結部材２６の先端面との間で支持部２４を挟持することにより、第１のブースター１４を円筒体２２の内部に保持することができる。

本実施の形態では、第１の固定円筒部２０の軸方向の２箇所（上下）に玉軸受２１を取付けたが、玉軸受の数及び配置は適宜、選択することができる。また、支持部２４は、第１のブースター１４と一体に形成されることが好ましいが、第１のブースター１４の径方向の超音波振動（振動エネルギー）を吸収する緩衝部材として機能するものであればよく、その形状は適宜、選択することができる。例えば、半径方向に沿って伸縮可能な蛇腹状に形成してもよいし、鍔部と薄肉の円筒部を有するスカート状のフランジとしてもよい。さらに、締結部材の形状及び支持部を円筒体に保持する方法も、本実施の形態で示したものに限定されることなく、適宜、選択することができる。

次に、気体軸受機構１９は、ホルダー１７の他側（ここでは下側）に取付けられた第２の固定円筒部２９と、第２の固定円筒部２９の内側で第２のブースター１５の外周を回転可能に支持するラジアル気体軸受部３０とを有している。この気体軸受機構１９は、スラスト軸受部を有しておらず、第２のブースター１５の外周を直接、ラジアル気体軸受部３０で支持する構造であるため、第２のブースター１５側の支持構造を簡素化して軽量化を図ることができ、支持部２４に加わる負荷（荷重）を低減して耐久性を向上させることができる。そして、第２のブースター１５側の支持構造の簡素化及び軽量化により、部品点数が少なくなり、生産性が向上すると共に、超音波ホーン１３の交換作業も容易に行うことが可能となって、メンテナンス性が向上する。また、第２のブースター１５側を斜め下向き又は鉛直下向きにして配置した場合のスラスト方向の荷重を、第１のブースター１４側を支持する転がり軸受機構１８（玉軸受２１）で支えることができるので、超音波共振体１６の姿勢（角度）に関わらず、安定した動作を行うことが可能となり、汎用性に優れる。

次に、第１のブースター１４の自由端面３２（ここでは上端面）には、超音波振動の振動源３３（例えば、電歪振動子）が取付けられている。また、円筒体２２の閉塞部２３の外側中央部には、その軸心が、円筒体２２（超音波共振体１６）の軸心と一致するように回転軸３６が取付けられている。回転軸３６の軸方向（長手方向）の中間位置にはスリップリング３７が設けられ、このスリップリング３７を介して高周波発振器３８からの駆動用信号が振動源３３に入力される構成となっている。高周波発振器３８からスリップリング３７を介して入力される駆動用信号は、回転軸３６の内部及び閉塞部２３を貫通する信号線３８ａにより振動源３３に伝達される。

回転軸３６の先側（ここでは、上端側であり、自由端側）には、円筒体２２と共に超音波共振体１６（第１のブースター１４、超音波ホーン１３、及び第２のブースター１５の直列連結体）とを回転させる回転駆動源３９（例えば、電動機）の出力軸４０が、非接触継手の一例である非接触式磁気継手４１を介して連結されている。ここで、非接触式磁気継手４１は、回転駆動源３９の出力軸４０の端部に取付けられる駆動側磁力部４２と、回転軸３６の自由端に取付けられて駆動側磁力部４２と対向する従動側磁力部４３とを備えている。この駆動側磁力部４２と従動側磁力部４３には、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、それぞれ同数（ここでは４個）の永久磁石４４、４５が、互いに逆極性の磁極面同士が対向するように配置されている。そして、駆動側磁力部４２の各永久磁石４４と、対向する従動側磁力部４３の各永久磁石４５との間に発生する引力により、駆動側磁力部４２と従動側磁力部４３が非接触で連結される。これにより、回転駆動源３９からの回転動力が、出力軸４０から非接触式磁気継手４１を介して回転軸３６に伝達され、円筒体２２と共に超音波共振体１６を回転させることができる。
円筒体２２の回転軸３６と、回転駆動源３９の出力軸４０との間が非接触式磁気継手４１を介して連結されているので、回転駆動源３９の回転軸４０の軸心に対して、超音波共振体１６（回転軸３６）の軸心の位置がずれたり、軸心が傾いたりしても、互いに干渉することなくスムーズな回転状態を維持することができる。

次に、超音波共振体１６の詳細について説明する。
超音波振動加工装置１１で加工（切断、切削、研削等）を行う際には、回転駆動源３９で超音波共振体１６を回転させることにより、超音波ホーン１３に取付けられた回転刃１２を回転させる。同時に、振動源３３の発する振動により、超音波共振体１６内に超音波振動の定在波（定常波）ＳＷを発生させて、回転刃１２を超音波ホーン１３（Ｒ／Ｌ変換）により半径方向に超音波振動させる。このとき、図３に示すように、超音波共振体１６の超音波ホーン１３及び第１、第２のブースター１４、１５のそれぞれの軸方向長さが、超音波共振体１６に発生する超音波振動の波長Ｔの１／２の長さ（Ｔ／２）と等しいことにより、超音波共振体１６をコンパクト化（最短化）できると共に、超音波共振体１６内での超音波振動の減衰を少なくして、定在波ＳＷを効率的に形成することができる。特に、超音波共振体１６の軸方向の回転刃１２の取付け位置及び支持部２４の位置を、定在波ＳＷのノード（Ｎｏｄｅ、節）の位置に対応させることにより、超音波振動を有効利用することができる。このとき、第１のブースター１４の自由端面３２及び第２のブースター１５の自由端面４６の位置はアンチノード（Ａｎｔｉｎｏｄｅ、ＡＮ、腹）となる。よって、超音波ホーン及び第１、第２のブースターのそれぞれの軸方向長さが、超音波共振体に発生する超音波振動の波長Tの１／２の長さ（Ｔ／２）の整数倍に等しければ、同様の作用、効果が得られる。
なお、使用する超音波の振動数に基づいて、超音波ホーン１３及び第１、第２のブースター１４、１５のそれぞれの軸方向長さを調節（選択）することにより、定在波ＳＷを容易に発生させることができる。

超音波振動加工装置１１では、第１のブースター１４側を支持する転がり軸受機構１８が高い剛性と位置決め精度を有しており、第２のブースター１５側を支持する気体軸受機構１９が、ラジアル気体軸受部３０を介して第２のブースター１５の外周を支持している（第２のブースター１５の外周にエアギャップが存在する）ので、転がり軸受機構１８と気体軸受機構１９の間で厳密な位置合わせをする必要がなく、組立作業を容易に行うことができる。
また、超音波共振体１６の第１のブースター１４が、支持部２４を介して転がり軸受機構１８で機械的に支持されていることにより、加工中に、気体軸受機構１９へ供給される気体の供給圧力が変動しても、超音波共振体１６が軸方向に移動することはなく、加工位置のずれを確実に防止して精密な加工を行うことができる。

さらに、円筒体２２に保持される第１のブースター１４の支持部２４が、第１のブースター１４の径方向の超音波振動を吸収する緩衝部材として機能することにより、超音波振動によって第１のブースター１４の軸径が変化しても、その変化は円筒体２２に伝達されず、玉軸受２１や第１の固定円筒部２０に負荷が加わることはなく、円筒体２２を安定して支持することができる。
また、第２のブースター１５側を支持する気体軸受機構１９では、超音波ホーン１３側に向かって圧縮気体が噴出しているので、第２のブースター１５側を斜め下向き又は鉛直下向きとなるように超音波共振体１６を配置した際に、加工時の切削水や切削屑が下方の気体軸受機構１９側に向かって流れても、圧縮気体で跳ね返す（吹き飛ばす）ことができる。よって、ラジアル気体軸受部３０の内部（第２のブースター１５の外周のエアギャップ）に、切削水が浸入して錆が発生することや、切削屑を噛み混んで動作（回転）不良が発生することがなく、耐久性、メンテナンス性、及び動作の安定性に優れる。

次に、超音波共振体の変形例について説明する。
超音波共振体１６では、切断、切削、研削等の加工を行うために、超音波ホーン１３に加工具として回転刃１２が取付けられていたが、図４に示す変形例の超音波共振体４８では、超音波接合を行うために、超音波ホーン４９に加工具として円板状の接合作用部５０が取付けられている。ここでは、超音波ホーン４９の軸方向長さが、超音波共振体４８に発生する超音波振動の波長T（Ｔ／２の２倍）と等しく、接合作用部５０の位置が、定在波ＳＷのアンチノード（Ａｎｔｉｎｏｄｅ、ＡＮ、腹）の位置に対応している。これにより、超音波ホーン４９が軸方向に共振した際に、接合作用部５０が、超音波ホーン４９と同一の振動モードで軸方向（図４では横方向）に振動し、接合対象物を効率的に接合することができる。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。更に、本実施の形態とその他の実施の形態や変形例にそれぞれ含まれる構成要素を組合せたものも、本発明に含まれる。
例えば、本実施の形態では、非接触継手の一例である非接触式磁気継手を介して回転軸に回転駆動源を間接的に連結したが、回転駆動源は、超音波共振体と共に円筒体を回転させることができればよく、回転軸に回転駆動源を直接、連結してもよいし、回転軸にフレキシブル継手を介して回転駆動源を連結することもできる。

１０：超音波共振体の支持構造、１１：超音波振動加工装置、１２：回転刃、１３：超音波ホーン、１４：第１のブースター、１５：第２のブースター、１６：超音波共振体、１７：ホルダー、１８：転がり軸受機構、１９：気体軸受機構、２０：第１の固定円筒部、２１：玉軸受、２２：円筒体、２３：閉塞部、２４：支持部、２５：拡径部、２６：締結部材、２７：段差端面、２９：第２の固定円筒部、３０：ラジアル気体軸受部、３２：自由端面、３３：振動源、３６：回転軸、３７：スリップリング、３８：高周波発振器、３８ａ：信号線、３９：回転駆動源、４０：出力軸、４１：非接触式磁気継手、４２：駆動側磁力部、４３：従動側磁力部、４４、４５：永久磁石、４６：自由端面、４８：超音波共振体、４９：超音波ホーン、５０：接合作用部

Claims (6)

1. 加工具が取付けられる超音波ホーンの軸方向の両側に、それぞれ第１、第２のブースターが同軸に連結された超音波共振体を、ホルダーに対して回転可能に両持ち支持する超音波共振体の支持構造であって、
   前記ホルダーは、前記超音波共振体の前記第１のブースター側を回転可能に支持する転がり軸受機構と、前記超音波共振体の前記第２のブースター側を回転可能に支持する気体軸受機構とを有することを特徴とする超音波共振体の支持構造。
2. 請求項１記載の超音波共振体の支持構造において、前記転がり軸受機構は、前記ホルダーの一側に取付けられた第１の固定円筒部と、該第１の固定円筒部の内側に保持された玉軸受と、内部に前記第１のブースターを保持し、外周を前記玉軸受により支持されて、前記超音波共振体と共に回転する円筒体とを有し、前記気体軸受機構は、前記ホルダーの他側に取付けられた第２の固定円筒部と、該第２の固定円筒部の内側で前記第２のブースターの外周を回転可能に支持するラジアル気体軸受部とを有することを特徴とする超音波共振体の支持構造。
3. 請求項２記載の超音波共振体の支持構造において、前記第１のブースターの外周には、前記円筒体の内部に保持される支持部が設けられていることを特徴とする超音波共振体の支持構造。
4. 請求項１〜３のいずれか１記載の超音波共振体の支持構造において、前記超音波ホーン及び前記第１、第２のブースターのそれぞれの軸方向長さは、前記超音波共振体に発生する超音波振動の波長の１／２の長さの整数倍に等しいことを特徴とする超音波共振体の支持構造。
5. 請求項１〜４のいずれか１記載の超音波共振体の支持構造を備えたことを特徴とする超音波振動加工装置。
6. 請求項５記載の超音波振動加工装置において、前記超音波共振体は、前記第２のブースター側を斜め下向き又は鉛直下向きにして配置されていることを特徴とする超音波振動加工装置。

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