KR20220025156A - 초음파 공진체의 지지 구조 및 초음파 진동 가공 장치 - Google Patents

초음파 공진체의 지지 구조 및 초음파 진동 가공 장치 Download PDF

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Abstract

가공구(12)가 장착되는 초음파 혼(13)의 축 방향의 양측에, 각각 제1 부스터, 제2 부스터(14, 15)가 동축에 고정된 초음파 공진체(16)를, 홀더(17)에 대하여 회전 가능하게 양끝 지지하는 초음파 공진체의 지지 구조(10)로서, 홀더(17)는, 초음파 공진체(16)의 제1 부스터(14) 측을 회전 가능하게 지지하는 롤러 베어링 기구(18)와, 초음파 공진체(16)의 제2 부스터(15) 측을 회전 가능하게 지지하는 기체 베어링 기구(19)를 가진다.

Description

초음파 공진체의 지지 구조 및 초음파 진동 가공 장치
본 발명은, 주로 반도체 웨이퍼(실리콘 웨이퍼) 등의 경취성(硬脆性) 재료의 가공에 사용되는 초음파 공진체의 지지 구조 및 초음파 진동 가공 장치에 관한 것이다.
특허문헌 1에는, 축 방향을 수평 방향으로 한 초음파 공진체(共振體)(초음파 진동 회전 기구)의 끝에 장착한 원반형의 절단날[가공구(加工具)의 일종]을 회전시키면서 절단날의 반경 방향으로 초음파 진동시키고 또한, 직선 이동시켜 웨이퍼(절삭 대상부품)을 절단하는 초음파 진동 절단 장치가 개시되어 있다.
특허문헌 1에서는, 초음파 공진체의 선단에 절단날이 장착된 캔틸레버(cantilever) 구조로 되므로, 가공 중에 웨이퍼로부터 받는 반력에 의해, 초음파 공진체의 선단 측이 기울기 쉽고, 절삭 속도가 제한되어 가공 시간이 길어지는 문제가 있었다. 이에 대하여, 특허문헌 2, 3과 같이, 진동 작용부나 회전날(가공구의 일종)을 장착한 초음파 혼의 축 방향의 양측에, 부스터가 각각 연결된 초음파 공진체(초음파 진동용 공진기)를 사용하고, 그 축 방향의 양측부를 지지하는 양측 지지 구조를 채용한 장치도 개시되어 있다.
특허문헌 2, 3과 같이 초음파 공진체를 양측 지지하는 경우, 유효한 정상파를 유지하기 위해 지지부의 어느 한쪽을 초음파의 진동 방향 즉 초음파 공진체의 축 방향에 대하여 고정하지 않고, 초음파 공진체의 일단(一端) 측을 자유단으로 할 필요가 있다.
그래서, 특허문헌 2에서는, 회전 구동원과의 걸어맞춤의 사정에 의해, 구동원 측의 부스터(제1 부스터) 측이, 홀더에 고정된 베어링부(암)에 내각(內殼)을 통하여 지지됨으로써, 축 방향으로는 고정되어 있고, 다른 쪽의 부스터(제2 부스터) 측이, 가이드 레일에 장착된 베어링부(암)에 의해, 초음파의 진동 방향 즉 초음파 공진체의 축 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지되고, 자유단으로 되어 있다. 이 때, 원기둥형의 각각의 부스터의 외주에는, 특허문헌 4의 도 1∼도 3 또는 특허문헌 5의 도 2에 기재된 것과 마찬가지의 지지부가 설치되어 있다. 이 지지부는, 스커트형의 플랜지로 되어 있고, 해당 지지부의 일부(초음파 공진체의 축 방향과 평행한 원통부)에 반경 방향의 진동 에너지를 흡수하기 위한 박육부(薄肉部)(얇은 중간부)가 설치되어 있다.
또한, 특허문헌 3에서는, 초음파 공진체의 양측을 공기 베어링[기체(氣體) 베어링]에 의해 회전 가동(可動)으로 지지하고 있으나, 회전 구동원과의 걸어맞춤의 사정에 의해, 구동원 측의 부스터(제1 부스터) 측이, 스러스트 공기 베어링에 의해 축 방향으로 고정되어 있고, 다른 쪽의 부스터(제2 부스터) 측이, 공기 베어링(레디얼 베어링) 내에서, 초음파의 진동 방향 즉 초음파 공진체의 축 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지되고, 자유단으로 되어 있다.
일본공개특허 제2000-210928호 공보 일본공개특허 제2000-93894호 공보 일본공개특허 제 2018-126967호 공보 일본공개실용신안 평03-98979호 공보 일본공개실용신안 평03-87501호 공보
그러나, 특허문헌 2에서는, 초음파 공진체의 축 방향의 양측을 기계 베어링에 의해 지지하고 있으므로, 양측의 기계 베어링의 축심(軸心)을 일치시키지 않으면, 초음파 공진체를 원활하게 회전시킬 수 없어, 위치맞춤이 곤란하고, 조립작업성이 결여된다는 과제가 있었다. 또한, 기계 베어링에 의한 지지 구조는 복잡하며, 부품수가 많고, 가공, 분해, 및 초음파 혼의 교환에도 수고가 들고, 생산성 및 유지보수성도 결여된다는 과제가 있었다. 또한, 이 지지 장치를 세로 방향으로하여(초음파 공진체의 축 방향을 연직 방향으로 하여) 사용한 경우, 또는, 비스듬하게 하여(초음파 공진체의 축 방향을 수평면에 대하여 경사지게 하여) 사용한 경우, 하측으로 되는 제2 부스터에 장착된 회전통, 베어링(베어링), 암 등의 중량도, 상측이 되는 제1 부스터를 유지하고 있는 지지부에 가해지고, 장시간의 사용에 의해 지지부의 박육부가 파손되기 쉽고, 게다가, 제2 부스터 측의 중량이 초음파 공진체의 공진 상태에 영향을 주어, 내구성 및 동작의 안정성이 결여된다는 과제도 있었다. 또한, 가공 시에, 절삭수가 하측의 베어링부의 내부에 침입하는 것이나, 절삭칩이 하측의 베어링부에 말려 들어가는 것을 방지할 수 없어, 신뢰성이 결여된다는 과제도 있었다.
이에 대하여, 특허문헌 3에서는, 초음파 공진체의 축 방향의 양측을 공기 베어링으로 지지하고 있고, 제1 부스터, 제2 부스터에 장착된 제1 회전 내각, 제2 회전 내각과, 프레임에 장착된 제1 고정 외각, 제2 고정 외각은 접촉하지 않으므로, 초음파 공진체의 축 방향이 연직 방향으로 되도록 세로 방향으로 사용해도, 상측이 되는 제1 부스터를 유지하는 지지부에 가해지는 중량(부담)은 적다. 따라서, 특허문헌 3에 있어서, 특허문헌 2, 4, 5와 마찬가지로, 일부에 박육부를 가지는 지지부(스커트형의 플랜지)를 채용한 경우라도, 지지부의 박육부의 파손이 발생하기 어려워진다. 그런데, 초음파 공진체의 축 방향의 지지를 위해서는, 제1 고정 외각의 외측에 스러스트 공기 베어링을 설치할 필요가 있고, 세로 방향으로 사용했을 때에, 스러스트 공기 베어링에 공급되는 공기의 압력이 변동하면, 초음파 공진체가 상하 방향(축 방향)으로 이동하고, 가공 위치가 변동하여 정밀한 가공을 행할 수 없다는 과제가 있었다.
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어 것이며, 간소한 구성으로, 조립 및 분해를 용이하게 행할 수 있고, 생산성 및 유지보수성이 우수하고, 초음파 공진체의 자세에 관계없이, 안정된 동작이 가능하며, 가공 위치의 어긋남이 발생하는 것을 방지하여, 정밀한 가공을 행할 수 있는 내구성 및 신뢰성이 우수한 초음파 공진체의 지지 구조 및 초음파 진동 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적에 따르는 제1 발명에 관한 초음파 공진체의 지지 구조는, 가공구가 장착되는 초음파 혼의 축 방향의 양측에, 각각 제1 부스터, 제2 부스터가 동축(同軸)에 고정된 초음파 공진체를, 홀더에 대하여 회전 가능하게 양끝 지지하는 초음파 공진체의 지지 구조로서,
상기 홀더는, 상기 초음파 공진체의 상기 제1 부스터 측을 회전 가능하게 지지하는 롤러 베어링 기구와, 상기 초음파 공진체의 상기 제2 부스터 측을 회전 가능하게 지지하는 기체 베어링 기구를 가진다.
여기에서, 가공구는, 초음파 진동의 작용에 의해 절단, 절삭, 연삭 혹은 접합 등의 가공을 행하는 것이다.
제1 발명에 관한 초음파 공진체의 지지 구조에 있어서, 상기 롤러 베어링 기구는, 상기 홀더의 한쪽에 장착된 제1 고정 원통부와, 해당 제1 고정 원통부의 내측에 유지된 볼 베어링과, 내부에 상기 제1 부스터를 유지하고, 외주를 상기 볼 베어링에 의해 지지하여, 상기 초음파 공진체와 함께 회전하는 원통체를 가지고, 상기 기체 베어링 기구는, 상기 홀더의 다른 쪽에 장착된 제2 고정 원통부와, 상기 제2 고정 원통부의 내측에서 상기 제2 부스터의 외주를 회전 가능하게 지지하는 레이디얼(radial) 기체 베어링부를 가지는 것이 바람직하다.
제1 발명에 관한 초음파 공진체의 지지 구조에 있어서, 상기 제1 부스터의 외주에는, 상기 원통체의 내부에 유지되는 지지부가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
제1 발명에 관한 초음파 공진체의 지지 구조에 있어서, 상기 초음파 혼 및 상기 제1 부스터, 제2 부스터의 각각의 축 방향 길이는, 상기 초음파 공진체에 발생하는 초음파 진동의 파장의 1/2의 길이의 정수(整數)배와 동등한 것이 바람직하다.
상기 목적에 따르는 제2 발명에 관한 초음파 진동 가공 장치는, 제1 발명에 관한 초음파 공진체의 지지 구조를 구비하고 있다.
제2 발명에 관한 초음파 진동 가공 장치에 있어서, 상기 초음파 공진체는, 상기 제2 부스터 측을 경사 하향 또는 연직 하향으로 하여 배치하는(초음파 공진체를 수평 이외 즉 초음파 공진체의 축 방향을 경사 또는 연직으로 배치하는 경우에, 제1 부스터 측을 상측에 배치하는) 것이 바람직하다.
제1 발명에 관한 초음파 공진체의 지지 구조는, 초음파 공진체의 제1 부스터 측을 롤러 베어링 기구로 회전 가능하게 지지하고, 제2 부스터 측을 기체 베어링 기구에서 회전 가능하게 지지하므로, 제2 부스터 측의 지지 구조의 간소화 및 경량화를 도모할 수 있고, 제1 부스터 측을 지지하는 롤러 베어링 기구 및 제1 부스터에 설치되는 지지부에 가해지는 부하를 저감하여 내구성을 향상시키고 또한, 초음파 혼의 교환 작업을 용이하게 하여 유지보수성을 향상시킬 수 있다. 또한, 제2 부스터 측을 지지하는 기체 베어링 기구의 에어갭이 전체 주위에 걸쳐 균일하지 않아도, 제1 부스터 측이 롤러 베어링 기구에 의해 기계적으로 지지됨으로써, 초음파 공진체의 축심 위치가 정해지므로, 롤러 베어링 기구와 기체 베어링 기구 사이에서 엄밀한 위치맞춤(센터링)을 행할 필요가 없고, 조립 작업성이 우수하다. 초음파 공진체는, 제1 부스터 측의 롤러 베어링 기구로 기계적으로 지지되므로, 기체 베어링 기구에 공급되는 기체의 압력이 변동되어도, 초음파 공진체가 축 방향으로 이동하지 않고, 초음파 공진체의 지지 안정성이 우수하다.
제2 발명에 관한 초음파 진동 가공 장치는, 제1 발명에 관한 초음파 공진체의 지지 구조를 구비함으로써, 초음파 공진체의 자세에 관계없이, 초음파 공진체를 확실하게 지지하여 안정한 동작을 행할 수 있고, 가공 중에 기체 베어링 기구에 공급되는 기체의 압력이 변동되어도, 초음파 공진체가 축 방향으로 이동하지 않고, 가공 위치의 어긋남은 발생하지 않아, 정밀 가공을 행할 수 있다. 또한, 초음파 공진체가, 제2 부스터 측을 경사 하향 또는 연직 하향으로 하여 배치되는(제1 부스터 측이 상측에 배치되는) 경우에는, 절삭수나 절삭칩이, 제2 부스터 측의 기체 베어링 기구에 많이 떨어지게 되지만, 제2 부스터 측에 특별한 커버 등을 설치하지 않아도, 절삭수가 기체 베어링 기구의 내부에 침입하는 것이나, 베어링부에 절삭칩이 말려 들어가는 것을 기체 베어링 기구로부터 분출하는 압축 기체로 방지할 수 있고, 내구성, 유지보수성 및 동작의 안정성이 우수하다.
[도 1] 본 발명의 일 실시예에 관한 초음파 공진체의 지지 구조를 구비한 초음파 진동 가공 장치의 주요부를 나타내는 개략 설명도이다.
[도 2] (A)는 도 1의 A-A 방향으로 본 도면이고, (B)는 도 1의 B-B 방향으로 본 도면이다.
[도 3] 본 발명의 초음파 진동 가공 장치의 초음파 공진체 내에 발생하는 정재파(定在波)의 상태를 나타내는 설명도이다.
[도 4] 본 발명의 초음파 진동 가공 장치의 변형예의 초음파 공진체 내에 발생하는 정재파의 상태를 나타내는 설명도이다.
계속해서, 첨부한 도면을 참조하면서, 본 발명을 구체화한 실시예에 대하여 설명하고, 본 발명의 이해에 제공한다.
도 1에 나타낸 본 발명의 일 실시예에 관한 초음파 공진체의 지지 구조(10)를 구비한 초음파 진동 가공 장치(11)는, 반경 방향으로 초음파 진동을 행하면서 회전하는 회전날(가공구의 일종)(12)로, 예를 들면, 실리콘 웨이퍼 등의 경취성 재료의 가공(절단, 절삭, 연삭 등)을 행하는 것이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 초음파 공진체의 지지 구조(10)는, 회전날(12)이 장착되는 원반형의 초음파 혼(13)의 축 방향의 양측에, 각각 원기둥형의 제1 부스터, 제2 부스터(14, 15)가 동축에 연결된 초음파 공진체(16)를, 홀더(17)에 대하여 회전 가능하게 양끝 지지하는 구조이다. 여기에서, 초음파 혼(13) 및 제1 부스터, 제2 부스터(14, 15)는, 초음파의 전파성을 동일하게 하기 위하여, 동일 재질로 제작해도 되고, 상이한 재질로 제작해도 되고, 그 조합은 적절히 선택할 수 있다. 그리고, 홀더(17)는, 초음파 공진체(16)의 제1 부스터(14) 측을 회전 가능하게 지지하는 롤러 베어링 기구(18)와, 초음파 공진체(16)의 제2 부스터(15) 측을 회전 가능하게 지지하는 기체 베어링 기구(19)를 가지고 있다.
롤러 베어링 기구(18)는, 홀더(17)의 한쪽(여기서는 상측)에 장착된 제1 고정 원통부(20)와, 제1 고정 원통부(20)의 내측에 유지된 볼 베어링(21)과, 내부에 제1 부스터(14)를 유지하고, 외주를 볼 베어링(21)에 의해 지지하여, 초음파 공진체(16)와 함께 회전하는 원통체(22)를 가지고 있다. 여기에서, 원통체(22)의 축 방향의 한쪽(여기서는 상측)은 폐색부(23)로 폐색되고, 다른 쪽[여기서는 하측이며, 초음파 혼(13) 측]은 개구하고 있다. 그리고, 제1 부스터(14)의 외주에는, 원통체(22)의 내부에 유지되는 플랜지형의 지지부(24)가 돌출하여 설치되어 있다. 또한, 원통체(22)의 축 방향의 다른 쪽(개구 측)에는 내측 공간의 확경부(擴徑部)(25)가 형성되어 있고, 이 확경부(25)에 지지부(24)를 끼워넣음으로써, 제1 부스터(14)를 원통체(22)의 내부에 동심형으로 배치할 수 있다. 그리고, 확경부(25)의 내주면(內周面)에 형성한 암나사부(도시하지 않음)에, 원통형의 체결 부재(26)를 나사 결합하고, 확경부(25)의 앞쪽(개구 측과는 반대측, 여기서는 상측)의 단차(段差) 단면(端面)(27)과 체결 부재(26)의 선단면 사이에 지지부(24)를 협지함으로써, 제1 부스터(14)를 원통체(22)의 내부에 유지할 수 있다.
본 실시예에서는, 제1 고정 원통부(20)의 축 방향의 2개소(상하)에 볼 베어링(21)을 장착하였으나, 볼 베어링의 수 및 배치는 적절히 선택할 수 있다. 또한, 지지부(24)는, 제1 부스터(14)와 일체로 형성되는 것이 바람직하지만, 제1 부스터(14)의 직경 방향의 초음파 진동(진동 에너지)을 흡수하는 완충 부재로서 기능하는 것이면 되고, 그 형상은 적절히 선택할 수 있다. 예를 들면, 반경 방향을 따라 신축 가능한 벨로즈형으로 형성해도 되고, 플랜지부와 얇은 원통부를 가지는 스커트형의 플랜지로 해도 된다. 또한, 체결 부재의 형상 및 지지부를 원통체에 유지하는 방법도, 본 실시예에서 나타낸 것에 한정되지 않고, 적절히 선택할 수 있다.
다음으로, 기체 베어링 기구(19)는, 홀더(17)의 다른 쪽(여기서는 하측)에 장착된 제2 고정 원통부(29)와, 제2 고정 원통부(29)의 내측에서 제2 부스터(15)의 외주를 회전 가능하게 지지하는 레이디얼 기체 베어링부(30)를 가지고 있다. 이 기체 베어링 기구(19)는 스러스트 베어링부를 가지고 있지 않고, 제2 부스터(15)의 외주를 직접, 레이디얼 기체 베어링부(30)로 지지하는 구조이므로, 제2 부스터(15) 측의 지지 구조를 간소화하여 경량화를 도모할 수 있고, 지지부(24)에 가해지는 부하(하중)을 저감하여 내구성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 제2 부스터(15) 측의 지지 구조의 간소화 및 경량화에 의해, 부품수가 적어지고, 생산성이 향상되고 또한, 초음파 혼(13)의 교환 작업도 용이하게 행하는 것이 가능하게 되어, 유지보수성이 향상된다. 또한, 제2 부스터(15) 측을 경사 하향 또는 연직 하향으로 하여 배치한 경우의 스러스트 방향의 하중을, 제1 부스터(14) 측을 지지하는 롤러 베어링 기구(18)[볼 베어링(21)]로 유지하는 것이 가능하므로, 초음파 공진체(16)의 자세(각도)에 관계없이, 안정된 동작을 행하는 것이 가능해지고, 범용성이 우수하다.
다음으로, 제1 부스터(14)의 자유단면(32)(여기서는 상단면)에는, 초음파 진동의 진동원(33)[예를 들면, 전왜(電歪) 진동자]가 장착되어 있다. 또한, 원통체(22)의 폐색부(23)의 외측 중앙부에는, 그 축심이, 원통체(22)[초음파 공진체(16)]의 축심과 일치하도록 회전축(36)이 장착되어 있다. 회전축(36)의 축 방향(길이 방향)의 중간 위치에는 슬립 링(37)이 설치되고, 이 슬립 링(37)을 통하여 고주파 발진기(38)로부터의 구동용 신호가 진동원(33)에 입력되는 구성으로 되어 있다. 고주파 발진기(38)로부터 슬립 링(37)을 통하여 입력되는 구동용 신호는, 회전축(36)의 내부 및 폐색부(23)를 관통하는 신호선(38a)에 의해 진동원(33)에 전달된다.
회전축(36)의 앞쪽(여기서는, 상단 측이고, 자유단 측)에는, 원통체(22)와 함께 초음파 공진체(16)[제1 부스터(14), 초음파 혼(13), 및 제2 부스터(15)의 직렬 연결체]를 회전시키는 회전 구동원(39)(예를 들면, 전동기)의 출력축(40)이, 비접촉 조인트의 일례인 비접촉식 자기(磁氣) 조인트(41)를 통하여 연결되어 있다. 여기에서, 비접촉식 자기 조인트(41)은, 회전 구동원(39)의 출력축(40)의 단부(端部)에 장착되는 구동측 자력부(42)와, 회전축(36)의 자유단에 장착되어 구동측 자력부(42)와 대향하는 종동(從動)측 자력부(43)를 구비하고 있다. 이 구동측 자력부(42)와 종동측 자력부(43)에는, 도 2의 (A), (B)에 나타낸 바와 같이, 각각 동수(여기서는 4개)의 영구 자석(44, 45)이, 서로 역극성의 자극면(磁極面)끼리가 대향하도록 배치되어 있다. 그리고, 구동측 자력부(42)의 각 영구 자석(44)과, 대향하는 종동측 자력부(43)의 각 영구 자석(45) 사이에 발생하는 인력에 의해, 구동측 자력부(42)와 종동측 자력부(43)가 비접촉으로 연결된다. 이로써, 회전 구동원(39)로부터의 회전 동력이, 출력축(40)로부터 비접촉식 자기 조인트(41)를 통하여 회전축(36)에 전달되고, 원통체(22)와 함께 초음파 공진체(16)를 회전시킬 수 있다.
원통체(22)의 회전축(36)과, 회전 구동원(39)의 출력축(40) 사이가 비접촉식 자기 조인트(41)를 통하여 연결되어 있으므로, 회전 구동원(39)의 회전축(40)의 축심에 대하여, 초음파 공진체(16)[회전축(36)]의 축심의 위치가 벗어나거나, 축심이 기울거나 해도, 서로 간섭하지 않고 원활한 회전 상태를 유지할 수 있다.
다음으로, 초음파 공진체(16)의 상세에 대하여 설명한다.
초음파 진동 가공 장치(11)에서 가공(절단, 절삭, 연삭 등)을 행할 때는, 회전 구동원(39)으로 초음파 공진체(16)를 회전시킴으로써, 초음파 혼(13)에 장착된 회전날(12)을 회전시킨다. 동시에, 진동원(33)이 발하는 진동에 의해, 초음파 공진체(16) 내에 초음파 진동의 정재파(정상파) SW를 발생시켜, 회전날(12)을 초음파 혼(13)(R/L 변환)에 의해 반경 방향으로 초음파 진동시킨다. 이 때, 도 3에 나타낸 바와 같이, 초음파 공진체(16)의 초음파 혼(13) 및 제1 부스터, 제2 부스터(14, 15)의 각각의 축 방향 길이가, 초음파 공진체(16)에 발생하는 초음파 진동의 파장 T의 1/2의 길이(T/2)와 동등한 것에 의해, 초음파 공진체(16)를 컴팩트화(최단화)할 수 있고 또한, 초음파 공진체(16) 내에서의 초음파 진동의 감쇠를 적게 하여, 정재파 SW를 효율적으로 형성할 수 있다. 특히, 초음파 공진체(16)의 축 방향의 회전날(12)의 장착 위치 및 지지부(24)의 위치를, 정재파 SW의 노드(Node, 마디)의 위치에 대응시킴으로써, 초음파 진동을 유효 이용할 수 있다. 이 때, 제1 부스터(14)의 자유단면(32) 및 제2 부스터(15)의 자유단면(46)의 위치는 안티노드(Antinode, AN, 배)가 된다. 따라서, 초음파 혼 및 제1 부스터, 제2 부스터의 각각의 축 방향 길이가, 초음파 공진체에 발생하는 초음파 진동의 파장 T의 1/2의 길이(T/2)의 정수배와 동등하면, 동일한 작용, 효과가 얻어진다.
그리고, 사용하는 초음파의 진동수에 기초하여, 초음파 혼(13) 및 제1 부스터, 제2 부스터(14, 15)의 각각의 축 방향 길이를 조절(선택)함으로써, 정재파 SW를 용이하게 발생시킬 수 있다.
초음파 진동 가공 장치(11)에서는, 제1 부스터(14) 측을 지지하는 롤러 베어링 기구(18)가 높은 강성과 위치 결정 정밀도를 가지고 있고, 제2 부스터(15) 측을 지지하는 기체 베어링 기구(19)가, 레이디얼 기체 베어링부(30)를 통하여 제2 부스터(15)의 외주를 지지하고 있으므로[제2 부스터(15)의 외주에 에어갭이 존재하므로], 롤러 베어링 기구(18)와 기체 베어링 기구(19) 사이에 엄밀한 위치맞춤을 할 필요가 없어, 조립 작업을 용이하게 행할 수 있다. 또한, 초음파 공진체(16)의 제1 부스터(14)가, 지지부(24)를 통하여 롤러 베어링 기구(18)에 의해 기계적으로 지지되고 있는 것에 의해, 가공 중에, 기체 베어링 기구(19)에 공급되는 기체의 압력이 변동되어도, 초음파 공진체(16)가 축 방향으로 이동하는 일은 없고, 가공 위치의 어긋남을 확실하게 방지하여 정밀한 가공을 행할 수 있다.
또한, 원통체(22)에 유지되는 제1 부스터(14)의 지지부(24)가, 제1 부스터(14)의 직경 방향의 초음파 진동을 흡수하는 완충 부재로서 기능함으로써, 초음파 진동에 의해 제1 부스터(14)의 축 직경이 변화되어도, 그 변화는 원통체(22)에 전달되지 않고, 볼 베어링(21)이나 제1 고정 원통부(20)에 부하가 가해지는 일은 없어, 원통체(22)를 안정적으로 지지할 수 있다.
또한, 제2 부스터(15) 측을 지지하는 기체 베어링 기구(19)에서는, 초음파 혼(13) 측을 향하여 압축 기체가 분출하고 있으므로, 제2 부스터(15) 측을 경사 하향 또는 연직 하향으로 되도록 초음파 공진체(16)를 배치했을 때, 가공 시의 절삭수나 절삭칩이 아래쪽의 기체 베어링 기구(19) 측을 향하여 흘러도, 압축 기체로 되튀기는(날려버리는) 것이 가능하다. 따라서, 레이디얼 기체 베어링부(30)의 내부[제2 부스터(15)의 외주의 에어갭]에, 절삭수가 침입하여 녹이 발생하는 것이나, 절삭칩이 말려들어서 동작(회전) 불량이 발생하지 않아, 내구성, 유지보수성, 및 동작의 안정성이 우수하다.
다음으로, 초음파 공진체의 변형예에 대하여 설명한다.
초음파 공진체(16)에서는, 절단, 절삭, 연삭 등의 가공을 행하기 위하여, 초음파 혼(13)에 가공구로서 회전날(12)이 장착되어 있었지만, 도 4에 나타낸 변형예의 초음파 공진체(48)에서는, 초음파 접합을 행하기 위하여, 초음파 혼(49)에 가공구로서 원판형의 접합 작용부(50)가 장착되어 있다. 여기서는, 초음파 혼(49)의 축 방향 길이가, 초음파 공진체(48)에 발생하는 초음파 진동의 파장 T(T/2의 2배)와 동등하고, 접합 작용부(50)의 위치가, 정재파 SW의 안티노드(Antinode, AN, 배)의 위치에 대응하고 있다. 이로써, 초음파 혼(49)이 축 방향으로 공진했을 때, 접합 작용부(50)가, 초음파 혼(49)과 동일한 진동 모드에서 축 방향(도 4에서는 가로 방향)으로 진동하고, 접합 대상물을 효율적으로 접합할 수 있다.
이상, 본 발명을 실시예를 참조하여 설명했으나, 본 발명은 전혀 상기한 실시예에 기재한 구성에 한정되지 않고, 특허청구의 범위에 기재되어 있는 사항의 범위 내에서 고려되는 그 외의 실시예나 변형예도 포함하는 것이다. 또한, 본 실시예와 그 외의 실시예나 변형예에 각각 포함되는 구성 요소를 조합한 것도, 본 발명에 포함된다.
예를 들면, 본 실시예에서는, 비접촉 조인트의 일례인 비접촉식 자기 조인트를 통하여 회전축에 회전 구동원을 간접적으로 연결하였지만, 회전 구동원은, 초음파 공진체와 함께 원통체를 회전시킬 수 있으면 되고, 회전축에 회전 구동원을 직접 연결해도 되고, 회전축에 플렉시블 조인트를 통하여 회전 구동원을 연결할 수도 있다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명에 따른 초음파 공진체의 지지 구조 및 초음파 진동 가공 장치는, 간소한 구성으로, 조립 및 분해를 용이하게 행할 수 있고, 생산성 및 유지보수성이 우수하고, 초음파 공진체의 자세에 관계없이 안정된 동작이 가능하며, 가공 위치의 어긋남의 발생을 방지할 수 있으므로, 반도체 웨이퍼(실리콘 웨이퍼) 등의 경취성 재료의 절단, 절삭, 연삭이나 초음파 접합 등의 가공을 정밀하고 또한 효율적으로 행하는 데에 유용하다.
10: 초음파 공진체의 지지 구조, 11: 초음파 진동 가공 장치, 12: 회전날, 13: 초음파 혼, 14: 제1 부스터, 15: 제2 부스터, 16: 초음파 공진체, 17: 홀더, 18: 롤러 베어링 기구, 19: 기체 베어링 기구, 20: 제1 고정 원통부, 21: 볼 베어링, 22: 원통체, 23: 폐색부, 24: 지지부, 25: 확경부, 26: 체결 부재, 27: 단차 단면, 29: 제2 고정 원통부, 30: 레이디얼 기체 베어링부, 32: 자유단면, 33: 진동원, 36: 회전축, 37: 슬립 링, 38: 고주파 발진기, 38a: 신호선, 39: 회전 구동원, 40: 출력축, 41: 비접촉식 자기 조인트, 42: 구동측 자력부, 43: 종동측 자력부, 44, 45: 영구 자석, 46: 자유단면, 48: 초음파 공진체, 49: 초음파 혼, 50: 접합 작용부

Claims (6)

  1. 가공구(加工具)가 장착되는 초음파 혼의 축 방향의 양측에, 각각 제1 부스터, 제2 부스터가 동축(同軸)에 연결된 초음파 공진체(共振體)를, 홀더에 대하여 회전 가능하게 양끝 지지하는 초음파 공진체의 지지 구조로서,
    상기 홀더는, 상기 초음파 공진체의 상기 제1 부스터 측을 회전 가능하게 지지하는 롤러 베어링 기구와, 상기 초음파 공진체의 상기 제2 부스터 측을 회전 가능하게 지지하는 기체(氣體) 베어링 기구를 가지는, 초음파 공진체의 지지 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 롤러 베어링 기구는, 상기 홀더의 한쪽에 장착된 제1 고정 원통부와, 상기 제1 고정 원통부의 내측에 유지된 볼 베어링과, 내부에 상기 제1 부스터를 유지하고, 외주를 상기 볼 베어링에 의해 지지되어, 상기 초음파 공진체와 함께 회전하는 원통체를 가지고, 상기 기체 베어링 기구는, 상기 홀더의 다른 쪽에 장착된 제2 고정 원통부와, 상기 제2 고정 원통부의 내측에서 상기 제2 부스터의 외주를 회전 가능하게 지지하는 레이디얼(radial) 기체 베어링부를 가지는, 초음파 공진체의 지지 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 부스터의 외주에는, 상기 원통체의 내부에 유지되는 지지부가 설치되어 있는, 초음파 공진체의 지지 구조.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 혼 및 상기 제1 부스터, 제2 부스터의 각각의 축 방향 길이는, 상기 초음파 공진체에 발생하는 초음파 진동의 파장의 1/2의 길이의 정수(整數)배와 동등한, 초음파 공진체의 지지 구조.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 초음파 공진체의 지지 구조를 구비하는 초음파 진동 가공 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 초음파 공진체는, 상기 제2 부스터 측을 경사 하향 또는 연직 하향으로 하여 배치되어 있는, 초음파 진동 가공 장치.
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