JP7222635B2

JP7222635B2 - 超音波水噴射装置

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Inventors: 暁明邱
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Description

本発明は、超音波振動を伝播させた水を噴射する超音波水噴射装置に関する。

被洗浄物の汚れをとる超音波洗浄ノズル（例えば、特許文献１参照）は、洗浄水を一時的に溜める水溜部と、水溜部から水を噴出する噴出口と、噴出口に対向して水溜部に配置した超音波振動板とを備えており、超音波振動板から発振した超音波振動を水溜部内の洗浄水に伝播させ、噴出口から噴出させた洗浄水の超音波振動により被洗浄物の汚れに衝撃を与えることで、被洗浄物から汚れを除去している。

特開２００４－０８２０３８号公報

このような超音波洗浄ノズルを用いる洗浄は、２流体洗浄ノズルや高圧洗浄ノズルでは取ることができない細かい汚れを除去する目的で使用されるため、１ＭＨｚの超高周波を洗浄水に伝播させる事が多い。
一方、超音波振動板から発せられる超音波振動の振幅を小さく設定すると、研削加工で発生する研削屑のような大きな汚れを除去する事ができない。そのため、大きな汚れを除去させるために周波数を下げた超音波振動を超音波振動板からダイレクトに洗浄水に伝播させるが、超音波振動が伝播しないため、研削屑のような大きな汚れを除去する事ができないという問題がある。

よって、超音波洗浄ノズルにおいては、大きな振幅の超音波振動を洗浄水に伝播できるようにするという課題がある。

上記課題を解決するための本発明は、超音波振動を伝播させた水を噴射する超音波水噴射装置であって、水供給源から供給される水を一時的に溜める筒状の水溜部と、該水溜部の一方の端側から水を噴射する噴射口と、該噴射口に対向して該水溜部の他方の端側に配設され該水溜部内の水に超音波振動を伝播させる超音波発振部と、を備え、該超音波発振部は、第１の円柱部と、該第１の円柱部と中心軸を同じくして連結され該第１の円柱部の直径より大きい直径の第２の円柱部と、該第２の円柱部の自由端側に配設される超音波振動板と、を備え、該水溜部に該第１の円柱部を収容させ、該水溜部を形成する側壁を該超音波発振部の長手方向において超音波振動がゼロになる部分に接続させ、超音波振動が最大となるよう延在した該第１の円柱部の該噴射口に対向する平坦な自由端面から該水溜部に一時的に溜められた水に超音波振動を伝播させ、該超音波振動が伝播した水を該噴射口から噴射する、超音波水噴射装置である。

本発明に係る超音波水噴射装置においては、１６ｋＨｚから８０ｋＨｚの高周波電力を前記超音波振動板に供給すると好ましい。

本発明に係る超音波水噴射装置は、水供給源から供給される水を一時的に溜める筒状の水溜部と、水溜部の一方の端側から水を噴射する噴射口と、噴射口に対向して水溜部の他方の端側に配設され水溜部内の水に超音波振動を伝播させる超音波発振部と、を備え、超音波発振部は、第１の円柱部と、第１の円柱部と中心軸を同じくして連結され第１の円柱部の直径より大きい直径の第２の円柱部と、第２の円柱部の自由端側に配設される超音波振動板と、を備え、水溜部に第１の円柱部を収容させ、超音波水噴射装置を形成する側壁を超音波発振部の長手方向において超音波振動がゼロになる部分に接続させているため、大きな振幅の超音波振動を効率よく水に伝播させることができる。また、大きな振幅の超音波振動を伝播させた水を被洗浄物に噴射し、従来の超音波ノズルでは除去できなかった研削屑のような大きなゴミを除去すること可能となる。

本発明に係る超音波水噴射装置が配設された研削装置の一例を示す斜視図である。超音波水噴射装置の一例を示す断面図である。水溜部の別例を示す断面図である。胴体部を備えない超音波水噴射装置の一例を示す断面図である。超音波水噴射装置の別例を示す断面図である。超音波水噴射装置で洗浄水を研削砥石の研削面に噴射しながら被加工物の研削を行っている状態を説明する断面図である。

図１に示す研削装置１は、保持手段３上に保持された被加工物Ｗを研削手段７によって研削する装置である。研削装置１のベース１０上の前方（－Ｙ方向側）は、保持手段３に対して被加工物Ｗの着脱が行われる領域であり、ベース１０上の後方（＋Ｙ方向側）は、研削手段７によって保持手段３上に保持された被加工物Ｗの研削が行われる領域である。

保持手段３は、円形板状のポーラス部材等からなり被加工物Ｗを吸着する吸着部３０と、吸着部３０を支持する枠体３１とを備える。吸着部３０は、真空発生装置等の図示しない吸引源に連通し、吸引源が吸引することで生み出された吸引力が、吸着部３０の露出面である保持面３０ａに伝達されることで、保持手段３は保持面３０ａ上で被加工物Ｗを吸引保持できる。また、保持手段３は、カバー３９により周囲を囲繞されており、Ｚ軸方向の軸心周りに回転可能となっている。

保持手段３、カバー３９、及びカバー３９に連結された蛇腹カバー３９ａの下方（ベース１０内部）には、保持手段３をＹ軸方向に移動させるモータ及びボールネジ等からなる図示しないＹ軸方向移動手段が配設されており、保持手段３は該Ｙ軸方向移動手段によってＹ軸方向に往復移動可能となっている。

研削領域には、コラム１１が立設されており、コラム１１の前面には研削手段７を保持手段３に対して離間又は接近するＺ軸方向（鉛直方向）に研削送りする研削送り手段５が配設されている。研削送り手段５は、鉛直方向の軸心を有するボールネジ５０と、ボールネジ５０と平行に配設された一対のガイドレール５１と、ボールネジ５０の上端に連結しボールネジ５０を回動させるモータ５２と、内部のナットがボールネジ５０に螺合し側部がガイドレール５１に摺接する昇降板５３とを備えており、モータ５２がボールネジ５０を回動させると、これに伴い昇降板５３がガイドレール５１にガイドされてＺ軸方向に往復移動し、昇降板５３に固定された研削手段７がＺ軸方向に研削送りされる。

保持手段３に保持された被加工物Ｗを研削加工する研削手段７は、軸方向がＺ軸方向である回転軸７０と、回転軸７０を回転可能に支持するハウジング７１と、回転軸７０を回転駆動するモータ７２と、回転軸７０の下端に接続された円環状のマウント７３と、マウント７３の下面に着脱可能に装着された研削ホイール７４と、ハウジング７１を支持し研削送り手段５の昇降板５３にその側面が固定されたホルダ７５とを備える。

研削ホイール７４は、ホイール基台７４１と、ホイール基台７４１の底面に環状に配置された略直方体形状の複数の研削砥石７４０とを備える。研削砥石７４０は、例えば、レジンボンドやメタルボンド等でダイヤモンド砥粒等が固着されて成形されている。

研削位置まで降下した状態の研削ホイール７４に隣接する位置には、本発明に係る超音波水噴射装置２が配設されている。
図２に示す超音波振動を伝播させた水を噴射する超音波水噴射装置２は、例えば、水供給源２２から供給される水を一時的に溜める筒状の水溜部２０と、水溜部２０の一方の端側（図２においては、＋Ｚ方向側）から水を噴射する噴射口２１と、噴射口２１に対向して水溜部２０の他方の端側（図２においては、－Ｚ方向側）に配設され水溜部２０内の水に超音波振動を伝播させる超音波発振部２３と、を少なくとも備えている。

筒状の水溜部２０は、例えば、ＳＵＳ等からなり、例えば一方の端側の噴射口２１に向けて徐々に縮径している。水溜部２０の側壁２００には水供給口２００ａが貫通形成されており、水供給口２００ａには開閉バルブ２２１を介して水供給源２２が連通している。
なお、図３に示すように、水溜部２０は噴射口２１に向けて縮径していない形状であってもよい。

超音波水噴射装置２は、水溜部２０に一体的に連結し水溜部２０よりも大径の筒状の胴体部２４を備えている。胴体部２４の自由端側（－Ｚ方向側）には、超音波発振部２３が進入する進入口２４０が形成されている。

本実施形態における超音波発振部２３は、例えば、所定の金属（例えば、チタン合金又はアルミ合金等）で構成される第１の円柱部２５と、第１の円柱部２５とＺ軸方向に延在する中心軸を同じくして連結され第１の円柱部２５の直径より大きい直径の第２の円柱部２６と、第２の円柱部２６の自由端側（－Ｚ方向端側）に配設される超音波振動板２９と、を備えている。

円柱形状の棒状体である第１の円柱部２５は、水溜部２０に非接触で収容されており、第２の円柱部２６にその根元２５０が一体的に連結されている。第１の円柱部２５の根元２５０の外周面は末広がりのＲ状の傾斜となるように形成されている。

所定の金属で形成された第２の円柱部２６は、その直径が、例えば第１の円柱部２５の直径及び水溜部２０の内径よりも大きく設定されており、胴体部２４の天板２４１に円環板状のゴム板２６３を介して接触している。天板２４１に固定接着されたゴム板２６３は、シール部材としての役割を果たし、水供給口２００ａから水溜部２０内に供給された水が胴体部２４側に入り込むことを防ぐ。また、ゴム板２６３は、超音波発振部２３全体の伸縮と共に伸縮して、胴体部２４が超音波振動の増幅の妨げにならないようにしている。

本実施形態においては、超音波発振部２３は、第１の円柱部２５及び第２の円柱部２６に加えて、さらに、第３の円柱部２７及び第４の円柱部２８を備えている。
所定の金属で構成され円柱形状の棒状体である第３の円柱部２７は、例えば、第１の円柱部２５と略同径の直径を備えており、その一端面（図２における＋Ｚ方向端面）が第２の円柱部２６の自由端面２６ａに連結ネジ２７７によって連結されている。第３の円柱部２７の他端側の根元２７０（図２における－Ｚ方向端側）は、例えば、超音波振動板２９の直径と略同径になるようにフランジ状に拡径されている。そして、第３の円柱部２７の他端側には、第３の円柱部２７よりも大径の金属製の連結板２７４が所定のろう付け部材等で接着固定されている。第３の円柱部２７は、超音波振動板２９から伝達されてきた超音波振動の振幅（振動の大きさ）を増減させて調整するブースターの役割を果たす。

連結板２７４には、超音波振動板２９が接着固定されている。超音波振動板２９は、電圧が印加されることで伸縮する板状の第１の圧電素子２９１及び第２の圧電素子２９２が重ねて接合されたものである。第１の圧電素子２９１及び第２の圧電素子２９２は、例えば、セラミックスの一種であるピエゾ素子である。また、第１の圧電素子２９１と第２の圧電素子２９２とには、それぞれ図示しない電極が取り付けられ、該電極及び配線２９３を介して交流電圧を印加して高周波電力を超音波振動板２９に供給する電源２９５が接続されている。電源２９５によって所定の周波数で電圧の印加のオンとオフとを繰り返すことによって、第１の圧電素子２９１と第２の圧電素子２９２とにＺ軸方向における伸縮運動を発生させることができる。そして、該伸縮運動が機械的な超音波振動となる。

超音波振動板２９上には、第４の円柱部２８が配設されており、第４の円柱部２８は、第３の円柱部２７と螺合する固定ボルト２８３によって、超音波振動板２９上に固定される。そして超音波振動板２９は、第４の円柱部２８と第３の円柱部２７とによりＺ軸方向両側からしっかりと挟まれた状態となっている。

胴体部２４の底板２４２の下面側には、環状のゴム板２７５が接着固定されており、超音波発振部２３が水溜部２０と胴体部２４とに挿入された状態において、超音波発振部２３の連結板２７４が該ゴム板２７５に当接する。連結板２７４の外周側の領域にはネジ穴２７４ａが周方向に均等に複数形成されている。そして、図示しない固定ネジがネジ穴２７４ａに挿入され、ゴム板２７５及び胴体部２４の底板２４２の図示しないネジ孔に螺合することで、超音波発振部２３が胴体部２４に固定された状態になる。
なお、図２に示すように、第３の円柱部２７の根元２７０の外周面は、胴体部２４に直に接触していない状態となっている。
なお、超音波水噴射装置２は、図４に示すように、胴体部２４、連結板２７４、及びゴム板２７５を備えない構成でもよい。この場合においては、超音波発振部２３は、ゴム板２６３を介して水溜部２０の下端面に接着固定されている。

超音波発振部２３においては、Ｚ軸方向の振幅が０になるノード点と呼ばれる波長の節の部分が存在する。そして、超音波水噴射装置２は、水溜部２０及び胴体部２４の長手方向長さや内径、並びに、超音波発振部２３を構成する第１の円柱部２５、第２の円柱部２６、及び第３の円柱部２７の長手方向長さや直径を所定の大きさに設定することで、水溜部２０に第１の円柱部２５を収容させ、水溜部２０を形成する側壁２００を超音波発振部２３の長手方向（Ｚ軸方向）において超音波振動がゼロになる部分に接続させている。また、本実施形態においては、胴体部２４の側壁を超音波発振部２３の長手方向（Ｚ軸方向）において超音波振動がゼロになる部分に接続させている。
なお、図４に示す胴体部２４を備えない超音波水噴射装置２においても同様に、水溜部２０に第１の円柱部２５を収容させ、水溜部２０を形成する側壁２００を超音波発振部２３の長手方向（Ｚ軸方向）において超音波振動がゼロになる部分に接続させている。

例えば、図２に示す超音波水噴射装置２の第１の円柱部２５の長さ：第２の円柱部２６の長さ：第３の円柱部２７の長さ：第３の円柱部２７の根元２７０の長さ＝５６．５：５７．１：５９．０：９．０である。
また、第１の円柱部２５の直径：第２の円柱部２６の直径：第３の円柱部２７の直径：第３の円柱部２７の根元２７０の直径：第４の円柱部２８の直径＝２５：４５：２５：４２：４２である。
なお、上記各円柱部の長さの比や各円柱部の直径の比は、一例であってこれに限定されるものではなく、例えば、第１の円柱部２５の根元２５０の外周面の末広がりのＲ状の傾斜の角度等によっても変化する。

図２では、超音波発振部２３における超音波の強さを示す振動分布も合わせて示している。超音波振動板２９で発生した振動（Ｚ軸方向の振動）は、ブースターである第３の円柱部２７によって共振することで増幅され第２の円柱部２６に伝えられる。図２中、（Ｂ）は超音波振動における腹の位置であり、（Ａ）は超音波振動における節の位置（ノード点の位置）を示している。即ち、腹の位置はＺ軸方向の振幅が最大（超音波振動が最大）であり、節の位置はＺ軸方向の振幅が最小（超音波振動が最小）となる。

さらに、第２の円柱部２６から第１の円柱部２５に伝達された超音波振動は、第１の円柱部２５内においても増幅されて第１の円柱部２５の上端面から水溜部２０内の水に伝播する。

本発明に係る超音波水噴射装置は、上記超音波水噴射装置２に限定されるものではなく、図５に示す超音波水噴射装置２Ａであってもよい。超音波水噴射装置２Ａは、図２に示す超音波水噴射装置２の構成の一部を変更したものである。即ち、超音波水噴射装置２Ａの超音波発振部２３Ａは先に説明した超音波発振部２３と異なり、ブースターとしての役割を果たす第３の円柱部２７を備えない構成となっている。これに合わせて、超音波水噴射装置２Ａは、胴体部２４を備えない構成となっている。

超音波水噴射装置２Ａにおいては、第２の円柱部２６の自由端面２６ａに超音波振動板２９が、例えば、固定ボルト２８３によって固定されている。なお、超音波振動板２９は、第２の円柱部２６の自由端面２６ａにろう付けされていてもよい。そして、水溜部２０の側壁２００の下端面（－Ｚ方向側面）に、第２の円柱部２６がゴム板２６３を介して接着固定された状態になっている。そして、水溜部２０に第１の円柱部２５を収容させ、水溜部２０を形成する側壁２００を超音波発振部２３Ａの長手方向（Ｚ軸方向）において超音波振動がゼロになる部分に接続させている。

図５では、超音波発振部２３Ａにおける超音波の強さを示す振動分布も合わせて示している。図５中、（Ｂ）は超音波振動における腹の位置であり、（Ａ）は超音波振動における節の位置（ノード点の位置）を示している。即ち、腹の位置は振幅が最大（超音波振動が最大）であり、節の位置は振幅が最小（超音波振動が最小）となる。

超音波発振部２３Ａの超音波振動板２９で発生した振動（Ｚ軸方向の振動）は、第２の円柱部２６に伝達され、さらに、第１の円柱部２５内において増幅されて第１の円柱部２５の上端面から水溜部２０内の水に伝播する。
なお、第１の円柱部２５の各寸法を適切な長さ及び適切な直径等に設定することで、第１の円柱部２５内でも超音波振動の振幅の増減を行う事が上記に示したように可能であるが、図２に示す超音波水噴射装置２のようにブースターとしての役割を果たす第３の円柱部２７を備えることで、より広範囲に超音波振動の振幅を調整することが可能となる。

以下に、図１に示す研削装置１により保持手段３に保持された被加工物Ｗを研削する場合の、研削装置１の動作及び超音波水噴射装置２の動作について説明する。
図１に示す被加工物Ｗは、例えば、外形が円形板状の半導体ウエーハであり、被加工物Ｗの裏面Ｗｂが、研削加工が施される被研削面となる。デバイス等が形成されている被加工物Ｗの表面Ｗａは、図示しない保護テープが貼着されて保護されている。

まず、着脱領域内において、被加工物Ｗが、裏面Ｗｂが上側になるように保持手段３の保持面３０ａ上に載置される。そして、図示しない吸引源により生み出される吸引力が保持面３０ａに伝達され、保持手段３が保持面３０ａ上で被加工物Ｗを吸引保持する。

次いで、被加工物Ｗを保持した保持手段３が、着脱領域から研削領域内の研削手段７の下まで＋Ｙ方向へ移動し、研削砥石７４０に対して被加工物Ｗが所定の位置に位置付けられる。該位置付けは、例えば、研削砥石７４０の回転中心が被加工物Ｗの回転中心に対して所定の距離だけ水平方向にずれ、研削砥石７４０の回転軌跡が被加工物Ｗの回転中心を通るように行われる。また、モータ７２が回転軸７０を回転駆動し、これに伴って研削ホイール７４も回転する。研削手段７が研削送り手段５により－Ｚ方向へと送られ、回転する研削砥石７４０が被加工物Ｗの裏面Ｗｂに当接することで研削が行われる。研削中は、保持手段３が回転するのに伴って、保持面３０ａ上に保持された被加工物Ｗも回転するので、研削砥石７４０が被加工物Ｗの裏面Ｗｂの全面の研削加工を行う。

図６に示すように、研削加工中においては、研削中の被加工物Ｗからはみ出した研削砥石７４０の研削面（下端面）に対して超音波水噴射装置２の上端である噴射口２１が対向する。そして、水供給源２２から洗浄水が所定の流量で超音波水噴射装置２の水溜部２０に供給される。水溜部２０においては、噴射口２１から水が＋Ｚ方向に向かって噴射されると共に、水が水溜部２０内に所定量常に溜められる。

また、電源２９５から、例えば、周波数１６ｋＨｚから８０ｋＨｚの高周波電力が超音波振動板２９に供給されることで、超音波振動板２９に交流電圧が印加されて、超音波振動板２９がＺ軸方向に振動する。

先に説明したとおりに、超音波振動板２９は発振した超音波振動が第１の円柱部２５に至るまでに増幅されて第１の円柱部２５の上端面から水溜部２０内の水に伝播する。その結果、噴射口２１から噴射される水が超音波振動を伴う超音波水となる。なお、超音波振動は、超音波水の噴射方向の所定範囲（例えば、噴射口２１から＋Ｚ方向に向かって幅数ミリ～数十ミリ程度の範囲）内で発生する。例えば、この所定範囲の中間領域に研削砥石７４０の研削面が位置するように、超音波水噴射装置２のＺ軸方向の位置が図示しない移動手段によって可変となっていてもよい。

超音波水噴射装置２から研削砥石７４０の研削面に噴射された水に超音波振動が伝播されていることで、研削砥石７４０の研削面に目詰まりした研削屑のような大きな汚れのみならず、例えば研削砥石７４０の目つぶれにより研削面から砥石内部にまで食い込んだ研削屑をも除去して研削砥石７４０の研削力を維持しつつ、被加工物Ｗを所望の研削厚みまで研削することができる。

上記のように図２、図６に示す本発明に係る超音波水噴射装置２又は図５に示す超音波水噴射装置２Ａは、水供給源２２から供給される水を一時的に溜める筒状の水溜部２０と、水溜部２０の一方の端側から水を噴射する噴射口２１と、噴射口２１に対向して水溜部２０の他方の端側に配設され水溜部２０内の水に超音波振動を伝播させる超音波発振部２３と、を備え、超音波発振部２３は、第１の円柱部２５と、第１の円柱部２５と中心軸を同じくして連結され第１の円柱部２５の直径より大きい直径の第２の円柱部２６と、第２の円柱部２６の自由端側に配設される超音波振動板２９と、を備え、水溜部２０に第１の円柱部２５を収容させ、水溜部２０を形成する側壁２００を超音波発振部２３の長手方向において超音波振動がゼロになる部分に接続させているため、大きな振幅の超音波振動を水に伝播させる事ができる。また、大きな振幅の超音波振動を伝播させた水を被洗浄物である研削砥石７４０に噴射し、従来の超音波ノズルでは除去できなかった研削屑のような大きなゴミを除去することが可能となる。
なお、図２に示すように超音波水噴射装置２においては、胴体部２４の側壁も超音波発振部２３の長手方向（Ｚ軸方向）において超音波振動がゼロになる部分に接続させているため、超音波振動板２９が大きな振幅の超音波を水に伝播させ、キャビテーションにより水に細かい気泡を発生させ洗浄効果を向上させている。

なお、本発明に係る超音波水噴射装置は上記３つの例に限定されるものではなく、また、添付図面に図示されている超音波水噴射装置２、胴体部２４を備えない超音波水噴射装置２、及び超音波水噴射装置２Ａの各構成の形状や大きさ等についても、これに限定されず、本発明の効果を発揮できる範囲内で適宜変更可能である。
また、上記実施形態では、研削砥石７４０の下面を被洗浄物としているが、保持テーブルに保持されたウエーハ等の被加工物の上面に本発明に係る超音波水噴射装置から超音波水を噴射させて、被加工物の上面を洗浄してもよい。

１：研削装置１０：ベース１１：コラム
３：保持手段３０：吸着部３１：枠体３９：カバー
５：研削送り手段５０：ボールネジ５１：ガイドレール５２：モータ５３：昇降板
７：研削手段７０：回転軸７１：ハウジング７２：モータ７３：マウント
７４：研削ホイール７５：ホルダ
２：超音波水噴射装置２０：水溜部２００：側壁２００ａ：水供給口２１：噴射口
２４：胴体部２４０：進入口
２３：超音波発振部
２５：第１の円柱部
２６：第２の円柱部２６３：ゴム板
２７：第３の円柱部２７４：連結板２７５：ゴム板２７７：連結ねじ
２８：第４の円柱部２８３：固定ボルト
２９：超音波振動板２９１：第１の圧電素子２９２：第２の圧電素子２９３：配線２９５：電源
２Ａ：超音波水噴射装置

Claims

超音波振動を伝播させた水を噴射する超音波水噴射装置であって、
水供給源から供給される水を一時的に溜める筒状の水溜部と、該水溜部の一方の端側から水を噴射する噴射口と、該噴射口に対向して該水溜部の他方の端側に配設され該水溜部内の水に超音波振動を伝播させる超音波発振部と、を備え、
該超音波発振部は、第１の円柱部と、該第１の円柱部と中心軸を同じくして連結され該第１の円柱部の直径より大きい直径の第２の円柱部と、該第２の円柱部の自由端側に配設される超音波振動板と、を備え、
該水溜部に該第１の円柱部を収容させ、該水溜部を形成する側壁を該超音波発振部の長手方向において超音波振動がゼロになる部分に接続させ、
超音波振動が最大となるよう延在した該第１の円柱部の該噴射口に対向する平坦な自由端面から該水溜部に一時的に溜められた水に超音波振動を伝播させ、該超音波振動が伝播した水を該噴射口から噴射する、
超音波水噴射装置。
１６ｋＨｚから８０ｋＨｚの高周波電力を前記超音波振動板に供給する請求項１記載の超音波水噴射装置。