(57)【要約】【課題】  電歪振動子が時間の経過とともに高温になることを防止可能な超音波振動切削装置を提供すること。【解決手段】  スピンドル２５と，スピンドル２５を回転可能に支持するスピンドルハウジング２６と，スピンドル２５の先端部に装着される切削ブレード２２と，スピンドル２５に設けられスピンドル２５を超音波振動させる電歪振動子３３とを備えた超音波振動切削装置が提供される。この超音波振動切削装置は，電歪振動子３３からスピンドル２５を介して伝達される超音波振動の伝達方向を変換し，切削ブレード２２を径方向に超音波振動させて被加工物を切削する。かかる超音波振動切削装置は，上記電歪振動子３３に対して気体（例えば空気）を吹き付けて冷却する冷却手段５０を備えることを特徴とする。かかる構成により，冷却手段によって電歪振動子を冷却して，電歪振動子の内部抵抗が時間の経過とともに増加することを抑制できる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピンドルと，前記スピンドルを回転可能に支持するスピンドルハウジングと，前記スピンドルの先端部に装着される切削ブレードと，前記スピンドルに設けられ前記スピンドルを超音波振動させる電歪振動子とを備え，前記電歪振動子から前記スピンドルを介して伝達される超音波振動の伝達方向を変換し，前記切削ブレードを径方向に超音波振動させて被加工物を切削する超音波振動切削装置において：
前記電歪振動子に対して気体を吹き付けて冷却する冷却手段を備えることを特徴とする，超音波振動切削装置。
【請求項２】
前記冷却手段は，常温の空気を，１１０Ｌ／ｍｉｎ以上の供給量で吹き付けることを特徴とする，請求項１に記載の超音波振動切削装置。
【請求項３】
前記冷却手段は，１０℃の空気を，７０Ｌ／ｍｉｎ以上の供給量で吹き付けることを特徴とする，請求項１に記載の超音波振動切削装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，超音波振動切削装置に関し，特に，切削ブレードを径方向に超音波振動させて被加工物を切削する超音波振動切削装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハ等の被加工物をチップ状に分割するために，切削砥石である切削ブレードによって半導体ウェハを格子状に切削加工するダイシング装置等の切削装置が知られている。このような切削装置においては，加工点における温度上昇を抑えることや，切削抵抗を増加させずにチッピングを減少させることが，継続的な課題となっている。かかる課題の解決手段として，超音波振動を使用して切削することが検討されている。
【０００３】
このような超音波振動を利用した切削方法の一例として，特許文献１には，切削ブレードをその厚さ方向（回転軸方向）に撓ませるようにして超音波振動させる超音波振動切断装置が記載されている。しかし，この超音波振動切断装置では，超音波振動する切削ブレードによって半導体ウェハの切削溝を広げるような力が働くため，どうしても切削抵抗が増加し，チッピングが発生し易いという問題があった。
【０００４】
このような問題を解決できる方法として，特許文献２には，切削ブレードをその径方向に超音波振動させて被加工物を切断する超音波振動切断装置が記載されている。この超音波振動切断装置では，切削ブレードが取り付けられたスピンドルを介して水平方向に伝達された超音波振動の伝達方向を，切削ブレードと共に取り付けられた振動伝達方向変換部によって垂直方向に変換して，切削ブレードを径方向に振動させている。
【０００５】
このように，径方向に超音波振動させた切削ブレードによって被加工物を切削加工することにより，超音波振動させていない切削ブレードによる通常の切断加工と比較して，（１）切削抵抗を低減してチッピングを抑制できる，（２）加工点に切削水が供給され易くなるため，加工点における温度上昇を抑えて，熱による歪が生じ難い，（３）切削ブレードの振動によりコンタミネーションが振り落とされるため，切削ブレードにコンタミネーションが付着しない，（４）切削ブレードに対する負荷を軽減して寿命が延びる，といった利点がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３３６７７５号公報
【特許文献２】特開２０００−２１０９２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような超音波振動切削装置では，切削ブレードを径方向に振動させるために，スピンドルに超音波振動子を設置して，スピンドルを介して切削ブレードを径方向に超音波振動させる構成である。超音波振動子としては，電歪振動子や超磁歪振動子が代表的であり，上記特許文献２に記載の超音波振動切削装置では，超磁歪振動子が採用されている。しかし，この超磁歪振動子は，価格が高価であり，未だ安定した振動性能を発揮できないとい欠点がある。そこで，本願発明者は，超音波振動子として電歪振動子を使用することを検討した。
【０００８】
電歪振動子としては，水晶振動子などもあるが，実用に供されているのは大半がＰＺＴ振動子であり，事実上，電歪振動子とＰＺＴ振動子とはほぼ同等の意味を持っている。このＰＺＴ振動子は，ＰＺＴ（ピエゾ）と呼ばれるジルコン酸チタン酸鉛などの強誘電体で構成され，交流電圧をかけるとその長さが伸縮する素子である。このＰＺＴ振動子は，一般的に，ＰＺＴを両側から金属のブロックで挟みボルトで連結した構造のボルト締めランジュバン型振動子が使用される。
【０００９】
本願発明者らは，このようなＰＺＴ振動子を搭載した超音波振動切削装置の切削ユニットとして，図８に示すような構成の切削ユニット１２０を開発した。この切削ユニット１２０では，スピンドルハウジング１２６により回転自在に支持されたスピンドル１２５の先端部に，基台部１２１を介して切削ブレード１２２が装着されている。一方，当該スピンドル１２５の後部側には，スピンドル１２５を回転させるモータ１３２を構成するロータ１３２１およびステータ１３２２と，ＰＺＴ振動子１３３と，ＰＺＴ振動子１３３に電力を供給する非接触給電装置１４０とが設けられている。
【００１０】
ところが，図８に示すような構成の切削ユニット１２０を備えた超音波振動切削装置を使用して，切削ブレード１２２を径方向に超音波振動させながら被加工物を切削したところ，時間が経過するにしたがって被加工物を良好に切削できなくなってしまう，という問題が生じた。この原因を調査した結果，ＰＺＴ振動子１３３に印加される電源電圧の大きさは一定であるにも拘わらず，径方向に超音波振動する切削ブレード１２２の振幅が，時間の経過とともに次第に減少してしまうことが原因であることが分かった。さらに，本願発明者は，この切削ブレード１２２の振幅の減少の理由について鋭意研究したところ，時間の経過とともにＰＺＴ振動子１３３が発熱してその内部抵抗が大きくなり，ＰＺＴ振動子１３３に対する供給電力が低減することが原因であることを見出した。
【００１１】
これまでの実験により，ＰＺＴ振動子１３３が発熱して４０℃以上になると，ＰＺＴ振動子１３３に印加される電源電圧の大きさが変わらなくても，ＰＺＴ振動子１３３の能力が低下し，図９に示すように，ＰＺＴ振動子１３３への供給電力（パワー），および切削ブレード１２２の振幅が，時間の経過とともに低下してしまうことが判明した。このようにＰＺＴ振動子１３３が発熱するのは，超音波発振時の連続励振によって圧電セラミックスの誘電体が損失することや，ＰＺＴ振動子の伸縮運動によって構成要素であるＰＺＴが摩擦すること，などが大きな要因と考えられる。
【００１２】
そこで，本発明は上記のような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，電歪振動子が時間の経過とともに高温になることを防止して，長時間使用しても被加工物を好適に切削することが可能な，新規かつ改良された超音波振動切削装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために，本発明の第１の観点によれば，スピンドルと，スピンドルを回転可能に支持するスピンドルハウジングと，スピンドルの先端部に装着される切削ブレードと，スピンドルに設けられスピンドルを超音波振動させる電歪振動子（ＰＺＴ振動子）とを備えた超音波振動切削装置が提供される。この超音波振動切削装置は，電歪振動子からスピンドルを介して伝達される超音波振動の伝達方向を変換し，切削ブレードを径方向に超音波振動させて被加工物を切削する。この超音波振動切削装置は，上記電歪振動子に対して気体（例えば空気）を吹き付けて冷却する冷却手段を備えることを特徴とする。
【００１４】
かかる構成により，冷却手段によって電歪振動子に対して直接的に気体を吹き付けることにより，電歪振動子が発した熱を排除して，電歪振動子が時間の経過とともに高温化することを防止できる。このため，時間の経過とともに，電歪振動子の内部抵抗が増加することを抑制できるので，電歪振動子に対する供給電力を維持し，切削ブレードの径方向の超音波振動の振幅が低減しないようにできる。従って，超音波振動切削装置を長時間使用しても，被加工物を高精度で切削することができる。
【００１５】
また，上記冷却手段は，気体を供給する気体供給装置（高圧ポンプ等）と；電歪振動子の近傍に噴射口を有するようにスピンドルハウジングに形成され，空気供給装置から供給された気体を電歪振動子に吹き付ける給気経路と；を備えてもよい。さらに，上記冷却手段は，電歪振動子の近傍に吸気口を有するようにスピンドルハウジングに形成され，電歪振動子に吹き付けられた気体をスピンドルハウジング外部に排出する排気経路；を備えてもよい。
【００１６】
また，上記冷却手段は，常温の空気を，１１０Ｌ／ｍｉｎ以上の供給量で吹き付けるようにしてもよい。これにより，供給が容易かつ安全な空気を常温のまま用いるので，冷却手段の機構を単純化でき，生産コストもかからないという利点がある。
【００１７】
また，冷却手段は，１０℃の空気を，７０Ｌ／ｍｉｎ以上の供給量で吹き付けるようにしてもよい。これにより，空気の供給量を低減できるとともに，電歪振動子をより効率的かつ確実に冷却できるという利点がある。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように本発明によれば，冷却手段により気体を吹き付けて電歪振動子を冷却することによって，時間の経過とともに電歪振動子が高温化することを防止できる。従って，超音波振動切削装置を長時間使用しても，径方向に超音波振動する切削ブレードの振幅が低下しないので，被加工物を高精度で切削することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２０】
まず，図１に基づいて，本発明の第１の実施形態にかかる超音波振動切削装置の一例として構成されたダイシング装置１０の全体構成について説明する。なお，図１は，本実施形態にかかるダイシング装置１０を示す全体斜視図である。
【００２１】
図１に示すように，ダイシング装置１０は，例えば，半導体ウェハなどの被加工物１２を切削加工する切削ユニット２０と，被加工物１２を保持する保持手段であるチャックテーブル１５と，切削ユニット移動機構（図示せず。）と，チャックテーブル移動機構（図示せず。）とを備える。
【００２２】
切削ユニット２０は，スピンドルに装着された切削ブレード２２を備えている。この切削ユニット２０は，径方向に超音波振動する切削ブレード２２を高速回転させながら被加工物１２に切り込ませることにより，被加工物１２を切削して極薄のカーフ（切溝）を形成することができる。
【００２３】
また，チャックテーブル１５は，例えば，上面が略平坦な円盤状のテーブルであり，その上面に真空チャック（図示せず。）等を具備している。このチャックテーブル１５は，例えば，ウェハテープ１３を介してフレーム１４に支持された状態の被加工物１２が載置され，この被加工物１２を真空吸着して安定的に保持することができる。
【００２４】
切削ユニット移動機構は，切削ユニット２０を，Ｙ軸方向に移動させる。このＹ軸方向は，切削方向（Ｘ軸方向）に対して直交する水平方向であり，例えば，切削ユニット２０内に配設されたスピンドルの軸方向である。このようなＹ軸方向の移動により，切削ブレードの刃先を被加工物１２の切削位置（切削ライン）に位置合わせすることができる。また，この切削ユニット移動機構は，切削ユニット２０をＺ軸方向（垂直方向）にも移動させる。これにより，被加工物１２に対する切削ブレード２２の切り込み深さを調整することができる。
【００２５】
チャックテーブル移動機構は，通常のダイシング加工時には，被加工物１２を保持したチャックテーブル１５を切削方向（Ｘ軸方向）に往復移動させて切削送りして，被加工物１２に対し切削ブレード２２の刃先を直線的な軌跡で作用させる。
【００２６】
かかる構成のダイシング装置１０は，高速回転する切削ブレードを被加工物１２に切り込ませながら，切削ユニット２０とチャックテーブル１５とを相対移動させることにより，被加工物１２をダイシング加工することができる。
【００２７】
次に，図２に基づいて，本実施形態にかかる切削ユニット２０の構成について説明する。なお，図２は，本実施形態にかかる切削ユニット２０を示す斜視図である。
【００２８】
図２に示すように，切削ユニット２０は，例えば，切削ブレード２２と，切削ブレード２２と一体化された基台部２１と，基台部２１をスピンドル２５の先端部に固定する固定部材の一例である固定ボルト２４と，スピンドル２５と，スピンドルハウジング２６と，切削水供給ノズル２７と，ホイルカバー２８と，を主に備える。
【００２９】
切削ブレード２２は，例えば，略リング形状を有する極薄の切削砥石（切り羽）であり，ダイヤモンド等の砥粒を電鋳して形成される。この切削ブレード２２は，切削ブレード２２を支持する基台部２１と一体的に構成されている。即ち，切削ブレード２２と基台部２１は，切り羽部とマウント部とが一体化された所謂ハブブレードを構成している。かかる切削ブレード２２および基台部２１は，固定ボルト２４によって，スピンドル２５の先端部に装着される。この固定ボルト２４は，基台部２１をＹ軸方向に貫通してスピンドル２５の先端部に形成された雌ねじ部に締結される（図３参照）。これにより，固定ボルト２４の頭部で基台部２１を係止して，スピンドル２５の先端部に固定できる。
【００３０】
また，スピンドル２５は，例えば，後述するモータ（図示せず。）の回転駆動力を切削ブレード２２に伝達するための回転軸であり，装着された切削ブレード２２を例えば３０，０００ｒｐｍで高速回転させる。このスピンドル２５の大部分は，スピンドルハウジング２６に覆われているが，その先端部は，スピンドルハウジング２６から露出しており，かかる先端部にブレード２２および基台部２１が装着される。
【００３１】
また，スピンドルハウジング２６は，スピンドル２５を覆うようにして設けられたハウジングである。このスピンドルハウジング２６は，内部に設けられたエアベアリングによって，スピンドル２５を高速回転可能に支持することができるが，詳細については後述する（図３参照）。
【００３２】
また，切削水供給ノズル２７は，例えば切削ブレード２２の両側に脱着可能に設けられ，切削ブレード２２の側面及び加工点付近に切削水を供給して冷却する。また，ホイルカバー２８は，切削ブレード２２の外周を覆うにして設けられ，切削ブレード２２を保護するとともに，切削水や切削屑などの飛散を防止する。
【００３３】
かかる構成の切削ユニット２０は，スピンドル２５により切削ブレード２２を高速回転させ，かかる切削ブレード２２の刃先を被加工物１２に切り込ませて相対移動させる。これにより，例えば，被加工物１２の加工面を切削加工して，切削ラインに沿って極薄の切溝（カーフ）を形成することができる。
【００３４】
次に，図３に基づいて，本実施形態にかかる切削ユニット２０におけるスピンドルハウジング２６の内部構成について説明する。なお，図３は，本実施形態にかかる切削ユニット２０におけるスピンドルハウジング２６の内部構成を示す縦断面図である。
【００３５】
図３に示すように，切削ユニット２０のスピンドルハウジング２６の内部には，例えば，スピンドル２５と，スピンドル２５を回転可能に支持するラジアルエアベアリング３０およびスラストエアベアリング３１と，ラジアルエアベアリング３０及びスラストエアベアリング３１に高圧エアを供給するためのエア供給路（図示せず。）と，ラジアルエアベアリング３０およびスラストエアベアリング３１によって噴出されたエアを排出するための排気路（図示せず。）と，ロータ３２１およびステータ３２２を有するモータ３２と，ステータ３２２に電力を供給するためのステータ用給電部３４と，スピンドル２５の後端部側に設けられたＰＺＴ振動子３３と，ＰＺＴ振動子３３に電力を供給するための非接触給電装置４０と，が設けられている。さらに，スピンドルハウジング２６のＰＺＴ振動子３３と対向する位置には，ＰＺＴ振動子３３に空気を吹き付けて冷却する冷却手段５０が設けられている。
【００３６】
スピンドル２５の後部側は，モータ３２を構成する回転軸であるロータ３２１が連結されている。ステータ用給電部３４によりステータ３２２に電力を供給すると，ロータ３２１およびステータ３２２の相互作用により回転駆動力が発生し，この回転駆動力によってスピンドル２５が高速回転する構成である。また，スピンドル２５の先端部側には，スピンドル２５の軸径よりも大径のスラストプレート２５１が設けられている。
【００３７】
ラジアルエアベアリング３０及びスラストエアベアリング３１は，上記エア供給路を介して，高圧ポンプ等で構成されたエア供給手段（図示せず。）と連通している。これにより，エア供給手段が提供する高圧エアは，ラジアルエアベアリング３０及びスラストエアベアリング３１に供給される。
【００３８】
ラジアルエアベアリング３０は，例えば，スピンドルハウジング２６の内周面に略均等に設けられた複数の噴射口（図示せず。）から，スピンドル２５の外周に向けてエアを噴出する。これにより，ラジアルエアベアリング３０は，空気圧によって，スピンドル２５が軸に対して垂直な径方向（ラジアル方向，即ち，ＸおよびＺ軸方向）へ移動することを制限して，高速回転するスピンドル２５をラジアル方向に支持することができる（即ち，横ブレを防止できる）。
【００３９】
一方，スラストエアベアリング３１は，スラストプレート２５１の左右両側に設けられた噴射口（図示せず。）から，スラストプレート２５１を挟持するようにエアを噴出する。これにより，スラストエアベアリング３１は，空気圧によって，スピンドル２５が軸方向（スラスト方向，即ち，Ｙ軸方向）へ移動することを制限して，高速回転するスピンドル２５をスラスト方向に支持することができる（即ち，縦ブレを防止できる）。
【００４０】
このように，スピンドルハウジング２６は，ラジアルエアベアリング３０及びスラストエアベアリング３１から噴出するエアによって，スピンドル２５を高速回転可能に支持することができる。なお，エアベアリングの構成は，上記図３の例に限定されず，多様に設計変更可能である。例えば，スラストエアベアリング３１およびスラストプレート２５１は，図３の例のように，スピンドル２５の切削ブレード２２側に１組だけ設けられる構成でなくてもよく，例えば，スピンドル２５の略中央部や基部側などの箇所に１組設けられる，或いはこれらの箇所に複数組設けられるなどしてもよい。
【００４１】
また，ラジアルエアベアリング３０およびスラストエアベアリング３１から噴出されたエアの大部分は，上記排気路を通ってスピンドルハウジング２６外部に排気されるが，一部のエアは，切削ブレード２２側におけるスピンドル２５とスピンドルハウジング２６との隙間から排出され，エアシールとして機能する。なお，上記のようにしてスピンドルハウジング２６内を流通するエアは，スピンドルハウジング２６およびスピンドル２５の温度を制御する温度制御媒体としても機能する。これにより，スピンドル２５の温度を所定温度に維持して，スピンドル２５に熱歪みが生ずることを防止できる。
【００４２】
以上のような，スピンドル２５，スピンドルハウジング２６，ラジアルエアベアリング３０，スラストエアベアリング３１，モータ３２，エア供給路，排気路およびエア供給手段などは，エアスピンドル機構を構成している。
【００４３】
さらに，本実施形態にかかる切削ユニット２０には，スピンドル２５および切削ブレード２２を超音波振動させる超音波振動子として，図３に示すように，電歪振動子であるＰＺＴ振動子３３と，このＰＺＴ振動子３３に電力を供給する非接触給電装置４０とが設けられている。
【００４４】
ＰＺＴ振動子３３は，例えば，スピンドル２５の後部側（切削ブレード２２とは反対側）において，ロータ３２１よりさらに後部側に配設されている。このＰＺＴ振動子３３は，ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミックス材料などで構成された振動子であり，より具体的には，ＰＺＴと金属板とを交互に積層してボルトで連結した構造のボルト締めランジュバン型振動子などである。
【００４５】
かかるＰＺＴ振動子３３は，非接触給電装置４０から供給された電力により，所定周波数（例えば５０ｋＨｚ）の縦波の超音波振動を発生する。このＰＺＴ振動子３３は，超磁歪振動子と比べて，安価であり，かつ，性能が安定しているためスピンドル２５を好適に超音波振動させることができるという利点がある。
【００４６】
非接触給電装置４０は，上記ＰＺＴ振動子３３に非接触方式で電力を供給する装置である。この非接触給電装置４０は，外部電源（図示せず。）に接続される給電端子４１と，スピンドルハウジング２６の内周面に配設され，給電端子４１に接続された給電側のトランスである一次側トランス４２と，スピンドル２５の後端部に配設された受電側のトランスである二次側トランス４４とからなる。この一次側トランス４２と，二次側トランス４４とは，所定間隔を離隔して対向配置されている。このような構成の非接触給電装置４０では，外部電源から給電端子４１を介して供給された電力を，一次側トランス４２から二次側トランス４４に電磁誘導方式により非接触で伝達し，さらに，スピンドル２５を介してＰＺＴ振動子３３に供給する。このように供給された電力により，ＰＺＴ振動子３３は超音波振動を発生してスピンドル２５を超音波振動させる。例えば，ＰＺＴ振動子３３を例えば５０ｋＨｚで超音波振動させるために，非接触給電装置４０は，例えば５０ｋｗ〜６０ｋｗの電力を供給する。しかし，非接触給電装置４０の供給電力は，ＰＺＴ振動子３３の特性に応じて異なり，かかる例に限定されるものではない。
【００４７】
このように非接触給電装置４０は，スピンドル２５に設けられたＰＺＴ振動子３３に対して，非接触方式で給電している。上記のように，エアスピンドル機構においてスピンドル２５はスピンドルハウジング２６によって非接触で保持されている。かかるエアスピンドル機構において，上記非接触給電装置４０によって非接触でＰＺＴ振動子３３に給電することにより，スピンドル２５に給電用の部材を接触させなくて済むので，スピンドル２５が円滑に回転でき，エアスピンドルの利点を生かすことができる。
【００４８】
かかる構成の非接触給電装置４０から電力が供給されたＰＺＴ振動子３３は，超音波振動を発生してスピンドル２５を超音波振動させる。この超音波振動は，スピンドル２５の軸方向（Ｙ軸方向）に伝達され，スピンドル２５の先端部に装着された切削ブレード２２に向かう。
【００４９】
さらに，このようにスピンドル２５の軸方向（Ｙ軸方向）に伝達される超音波振動を切削ブレード２２の径方向（ＸＺ平面方向）に変換するときの振動伝達方向変換点のＹ軸位置が，スピンドル２５に対する切削ブレード２２の装着位置（切削ブレード２２のＹ軸位置）と同一となるように，スピンドル２５の構造，配置や，ＰＺＴ振動子３３の周波数などが調整されている。
【００５０】
以上のような構成によって，スピンドル２５の軸方向に超音波振動を伝達させ，切削ブレード２２と略同一位置にある振動伝達方向変換点で，当該伝達された超音波振動の伝達方向を切削ブレード２２の径方向に変換できる。これにより，切削ブレード２２を径方向に超音波振動させる，即ち，リング形状の切削ブレード２２を高周波で拡径，縮径を繰り返すように振動させながら，当該切削ブレード２２によって被加工物１２を切削することができる。
【００５１】
このように切削ブレード２２を径方向に超音波振動させる原理についは，例えば上記特許文献２に記載されており公知であるが，以下に，図４に基づいて簡単に説明する。
【００５２】
図４は，本実施形態にかかる切削ユニット２５において，ＰＺＴ振動子３３からの超音波振動に共振する振動波形Ｗ１と，伝達方向が径方向に変換された振動波形Ｗ２とを示す説明図である。振動波形Ｗ１は，共振による超音波振動の瞬間的な変位（振動振幅）を表し，振動波形Ｗ２は，伝達方向が径方向に変換された超音波振動の瞬間的な変位（振動振幅）を表す。
【００５３】
図４に示すように，スピンドル２５の軸上（Ｙ軸上）には，振動波形Ｗ１の最大振動振幅点Ａ，Ｃ，Ｅ，Ｇと，最小振動振幅点Ｂ，Ｄ，Ｆ，Ｈが存在する。通常，最小振動振幅点Ｂ，Ｄ，Ｆ，Ｈでは，スピンドル２５の径方向の伸長が最大となる。従って，スピンドル２５とスピンドルハウジング２６との間隔は，少なくとも最小振動振幅点Ｂ，Ｄ，Ｆ，Ｈにおけるスピンドル２５の最大拡径量よりも大きくしなければならない。しかし，その他の点に関しては，切削ユニット２０がエアスピンドル機構を採用しているため，メカスピンドル機構の場合のように最小振動振幅点Ｂ，Ｄ，Ｆ，Ｈ付近を構造的に補強したりする必要はない。
【００５４】
振動波形Ｗ１の最小振動振幅点Ｂは，振動伝達方向変換点であり，この振動伝達方向変換点と同一位置若しくはその近傍の位置に，切削ブレード２２が配置されている。振動伝達方向変換点Ｂにおいて，超音波振動の伝達方向が，スピンドル２５の軸方向（以下，単に「軸方向」という場合もある。）から，切削ブレード２２の径方向（以下，単に「径方向」という場合もある。）に変換される。このように伝達方向が径方向に変換された超音波振動の振動波形Ｗ２における最大振動振幅点α，βが，切削ブレード２２の刃先位置に位置するように，切削ブレード２２のブレード径や超音波振動の周波数等が調整されている。
【００５５】
さらに，上記超音波振動を好適に伝達および変換するために，切削ブレード２２と基台部２１とが一体構成されており，かつ，固定ボルト２４と基台部２１とスピンドル２５先端部とが相互に密着して強固に固定されるように構成されている。さらに，基台部２１は，振動伝達方向変換点Ｂを中心としてＹ軸方向に対称な形状となるように成形されている。
【００５６】
以上のようにして，スピンドル２５を軸方向に伝達してきた超音波振動の伝達方向を径方向に変換することにより，切削ブレード２２は拡径，縮径を繰り返して，切削ブレード２２の刃先が径方向に振動する。
【００５７】
なお，振動伝達方向変換点Ｂにおいて，振動伝達方向の変換を促すために，ホーンなどの振動伝達方向変換部材を配置することもできるが，振動伝達方向変換点の位置と切削ブレード２２の位置とが略同一であれば，この振動伝達方向変換部材を別途に配設しなくとも，振動伝達方向を変換することは可能である。
【００５８】
以上，図２〜図４に基づいて，本実施形態にかかる切削ユニット２０の構成，特に，切削ブレード２２を径方向に超音波振動させるための構成について説明した。ところで，上述したように，超音波振動を発生させるＰＺＴ振動子３３は，時間の経過とともに，高温化してその内部抵抗が大きくなるため，ＰＺＴ振動子３３への供給電力が低減し，この結果，径方向に超音波振動する切削ブレード２２の振幅が低下するという問題があった。かかる問題を解決すべく，本実施形態にかかる切削ユニット２０では，ＰＺＴ振動子３３を冷却するために冷却手段５０が設置されている点が特徴である。
【００５９】
この冷却手段５０は，図３及び図５に示すように，スピンドルハウジング２６の一側に形成された給気経路５２と，高圧ポンプ等の空気供給装置（図示せず。）と，一端が給気経路５２の入口側に接合され，他端が空気供給装置に接続された給気管５４と，スピンドルハウジング２６の他側に形成された排気経路５６とから構成される。
【００６０】
給気経路５２は，スピンドルハウジング２６のＰＺＴ振動子３３に対応する位置に貫通形成された貫通孔であり，給気管５４から流入した空気をＰＺＴ振動子３３に供給する流路として機能する。この給気経路５２の出口である噴射口５２ａは，ＰＺＴ振動子３３の外周面と対向する位置に形成されている。また，給気管５４は，給気経路５２と空気供給装置とを連通するホース等である。
【００６１】
排気経路５６は，スピンドルハウジング２６の上記給気経路５２とは他側に形成された流路であり，スピンドルハウジング２６内の空気をスピンドルハウジング２６外に排出する機能を有する。この排気経路５６の入口である吸気口５６ａは，ＰＺＴ振動子３３の近傍に形成されている。一方，この排気経路５６の出口である排気口５６ｂは，スピンドルハウジング２６の後端面に形成されている。
【００６２】
かかる構成の冷却手段５０の動作について説明する。切断加工中には，上記空気供給装置は，所定温度の空気を，給気管５４を介して切削ユニット２２に送出し続ける。このように給気管５４を介して供給された空気は，給気経路５２を通過して，その噴射口５２ａからＰＺＴ振動子３３に向けて噴射され，ＰＺＴ振動子３３の外周面に吹き付けられる。これにより，切削加工中に，伸縮して発熱するＰＺＴ振動子３３を効果的に冷却できる。なお，切断加工時には，ＰＺＴ振動子３３はスピンドル２５の軸を中心として回転しているので，一箇所の噴射口５２ａのみから空気を噴射したとしても，ＰＺＴ振動子３３を周方向に均等に冷却できる。
【００６３】
さらに，上記ＰＺＴ振動子３３に吹き付けられた空気は，スピンドルハウジング２６の下部に設けられた吸気口５６ａから排気経路５６内に流入し，この排気経路５６を通って，排気口５６ｂからスピンドルハウジング２６の外部に排出される。
【００６４】
このようにして，冷却手段５０によって，ＰＺＴ振動子３３に対して空気を直接的かつ継続的に吹き付けることにより，ＰＺＴ振動子３３を好適に冷却して，ＰＺＴ振動子３３の発熱に伴う内部抵抗の上昇を抑制できる。
【００６５】
なお，上記冷却手段５０は，例えば，少なくともダイシング装置１０の動作中，即ち切削加工中は，常時，ＰＺＴ振動子３３に対して空気を噴射し続けるように構成されている。これにより，冷却手段５０による空気噴射のタイミングに関して複雑な制御が不要となり，装置構成を簡便化できるという利点がある。しかし，これとは異なり，ＰＺＴ振動子３３に取り付けられた温度センサによって，ＰＺＴ振動子３３の温度を検知し，検出温度がある一定の温度以上となった場合に，冷却手段５０が空気を噴射するという構成も技術的には可能である。しかし，この構成は，スピンドルハウジング２６内の配線構造を複雑化し，生産コスト上昇の原因となるため，上記常時噴射する構成の方が好ましい。
【００６６】
ところで，冷却手段５０による空気の供給量（噴射量）の如何にかかわらず，ＰＺＴ振動子３３に空気を吹き付ければ，ある程度の冷却効果が得られる。しかし，ダイシング装置１０を長時間使用しても切削加工に問題がない状態にまでＰＺＴ振動子３３を冷却するためには，空気の供給量や温度に所定の条件が必要となる。そこで，以下では，上記冷却手段５０による空気の供給量および温度と，冷却効果との相関について実験した結果について説明する。
【００６７】
（常温空気を用いた実験）
まず，図６に基づいて，冷却手段５０が供給する空気の温度を常温（例えば約２２℃）にし，空気の供給量を５５Ｌ／ｍｉｎ，７０Ｌ／ｍｉｎ，１１０Ｌ／ｍｉｎの３段階に変えてＰＺＴ振動子３３を空冷したときの，冷却効果について実験した結果について説明する。なお，図６は，上記空冷条件において，ＰＺＴ振動子３３の発振時間［ｍｉｎ］と，ＰＺＴ振動子３３に供給される電力［Ｗ］（以下，「ＰＺＴ振動子３３に対する供給電力」という。），および径方向に超音波振動する切削ブレード２２の振幅［μｍ］（以下「切削ブレード２２の振幅」という。）との関係を計測した実験結果を示すグラフである。
【００６８】
なお，ＰＺＴ振動子３３に印可される外部電源の電圧は常に一定である。このため，ＰＺＴ振動子３３が発熱して内部抵抗が増加すれば，その分，ＰＺＴ振動子３３に流れる電流が減少し，この結果，ＰＺＴ振動子３３に対する供給電力（つまり，ＰＺＴ振動子３３が超音波振動を発生させるために消費する電力）が減少して，切削ブレード２２の振幅が低下することになる。
【００６９】
図６に示すように，空気の供給量が１１０Ｌ／ｍｉｎである場合には，ＰＺＴ振動子３３を長時間使用しても，ＰＺＴ振動子３３に対する供給電力は，当初の電力（約２０Ｗ）を維持しており，ほとんど低下していない。また，切削ブレード２２の振幅も，当初の振幅（約４μｍ）を維持しており，ほとんど低下していない。従って，冷却手段５０により常温の空気を１１０Ｌ／ｍｉｎで吹き付けることによって，ＰＺＴ振動子３３が効果的に冷却されていることが分かる。
【００７０】
これに対し，空気の供給量が５５Ｌ／ｍｉｎ，７０Ｌ／ｍｉｎである場合には，ＰＺＴ振動子３３に対する供給電力，および切削ブレード２２の振幅は，時間の経過とともに低下している。例えば，空気の供給量が５５Ｌ／ｍｉｎである場合には，発振開始から１５分経過後には，ＰＺＴ振動子３３に対する供給電力が約１３Ｗまで低下し（当初の約６５％），切削ブレード２２の振幅も約２．６μｍまで低下している（当初の約６５％）。従って，これらの空気供給量では，冷却手段５０による冷却効果が十分ではなく，ＰＺＴ振動子が例えば４０℃程度に加熱されていると考えられる。しかし，この場合であっても，図６の実験結果によれば，ＰＺＴ振動子３３に対する供給電力および切削ブレード２２の振幅は，最初に低下した後は所定レベルを維持しており，ＰＺＴ振動子３３の発熱と冷却手段５０による冷却とが均衡状態になっていると考えられ，一定の冷却効果が認められる。
【００７１】
以上のような実験結果から，冷却手段５０が常温の空気を吹き付ける場合には，空気の供給量が１１０Ｌ／ｍｉｎ以上であれば，ＰＺＴ振動子３３を効果的に冷却できるため，ダイシング装置１０を長時間使用しても問題のない状態にできるといえる。ただし，空気の供給量を１２０Ｌ／ｍｉｎや２００Ｌ／ｍｉｎ等と大きくした場合であっても，空気の供給量を１１０Ｌ／ｍｉｎとした場合の冷却効果とほとんど変わりがないと思われる。従って，冷却効率や対費用効果を考えると，空気の供給量を１１０Ｌ／ｍｉｎ前後に設定することが好ましいといえる。
【００７２】
（冷却空気を用いた実験）
次に，図７に基づいて，冷却手段５０が供給する空気の温度を約１０℃に冷却し，この冷却空気の供給量を３５Ｌ／ｍｉｎ，５０Ｌ／ｍｉｎ，７０Ｌ／ｍｉｎの３段階に変えてＰＺＴ振動子３３を空冷したときの，冷却効果について実験した結果について説明する。なお，図７は，上記空冷条件において，ＰＺＴ振動子３３の発振時間［ｍｉｎ］と，ＰＺＴ振動子３３に対する供給電力［Ｗ］および切削ブレード２２の振幅［μｍ］との関係を計測した実験結果を示すグラフである。
【００７３】
図７に示すように，冷却空気の供給量が７０Ｌ／ｍｉｎである場合には，ＰＺＴ振動子３３を長時間使用しても，ＰＺＴ振動子３３に対する供給電力は，当初の電力（約３５Ｗ）を維持しており，ほとんど低下していない。また，切削ブレード２２の振幅も，当初の振幅（約５．８μｍ）を維持しており，ほとんど低下していない。従って，冷却手段５０により，約１０℃の冷却空気を７０Ｌ／ｍｉｎで吹き付けることによって，ＰＺＴ振動子３３が効果的に冷却されていることが分かる。このように，冷却空気を用いた場合には，上記図６の常温の空気を用いた場合より，４０Ｌ／ｍｉｎも少ない供給量で，ＰＺＴ振動子３３を効率的に冷却することができる。
【００７４】
これに対し，冷却空気の供給量が３５Ｌ／ｍｉｎ，５０Ｌ／ｍｉｎである場合には，ＰＺＴ振動子３３に対する供給電力，および切削ブレード２２の振幅は，時間の経過とともに低下している。例えば，冷却空気の供給量が３５Ｌ／ｍｉｎである場合には，発振開始から２０分経過後には，ＰＺＴ振動子３３に対する供給電力が約２３Ｗまで低下し（当初の約６５％），切削ブレード２２の振幅も約４．４μｍまで低下している（当初の約７５％）。従って，これらの空気供給量では，冷却手段５０による冷却効果が十分ではなく，ＰＺＴ振動子が例えば４０℃程度に加熱されていると考えられる。しかし，この場合であっても，図７の実験結果によれば，ＰＺＴ振動子３３に対する供給電力および切削ブレード２２の振幅は，最初に低下した後は所定レベルを維持しており，ＰＺＴ振動子３３の発熱と冷却手段５０による冷却とが均衡状態になっていると考えられ，一定の冷却効果が認められる。
【００７５】
以上のような実験結果から，冷却手段５０が約１０℃の冷却空気を吹き付ける場合には，冷却空気の供給量が７０Ｌ／ｍｉｎ以上であれば，ＰＺＴ振動子３３を効果的に冷却できるため，ダイシング装置１０を長時間使用しても問題ない状態にできるといえる。ただし，冷却空気の供給量を１００Ｌ／ｍｉｎや１５０Ｌ／ｍｉｎと大きくした場合であっても，冷却空気の供給量を７０Ｌ／ｍｉｎとした場合の冷却効果とほとんど変わりがないと思われる。従って，冷却効率や対費用効果を考えると，空気の供給量を７０Ｌ／ｍｉｎ前後に設定することが好ましいのは，前述と同様である。
【００７６】
また，冷却空気の温度は，上記１０℃の例に限られず，空気の供給量を変化させれば，０〜２２℃の範囲の任意の温度に設定することができる。しかし，冷却空気の温度は，ダイシング装置１０の周囲の環境にもよるが，約１０℃が最も好ましいと考えられる。
【００７７】
この理由は，次の通りである。冷却空気の温度を低く設定した方が，当然に冷却効果を高めることができるが，１０℃より低く設定すると，スピンドル２５やスピンドルハウジング２６内部に結露が生じ易くなるという問題がある。また，この問題以外にも，ＰＺＴ振動子３３を過冷却する（例えば−２０℃まで冷却する）と，ＰＺＴ振動子３３が破損する恐れがあるという問題もある。よって，これらの問題を生じさせずに，ＰＺＴ振動子３３を効率的に冷却するためには，吹き付ける冷却空気の温度を約１０℃とすることが，最も望ましい。
【００７８】
なお，本実施形態にかかる切削ユニット２０では，上述のようにエアスピンドル機構が採用されており，スピンドルハウジング２６はスピンドル２５に空気を噴射して支持している。このエアベアリング用として供給される空気の供給量は，例えば約５５Ｌ／ｍｉｎであり，この供給量でスピンドル２５全体を保持することができる。そこで，このエアスピンドル用の空気を冷却して，ＰＺＴ振動子３３の冷却用として併用する手法も考えられる。
【００７９】
しかし，上記実験結果からも明らかなように，空気を１０℃に冷却した場合であっても，７０Ｌ／ｍｉｎ以上の供給量でＰＺＴ振動子３３に対して局所的に供給しなければ，十分な冷却効果が得られない。従って，エアベアリング用に供給される空気のみでは，供給量が少な過ぎるため，ＰＺＴ振動子３３を効果的に冷却することはできない。よって，エアベアリングの給気機構とは別途に，上述したような冷却手段５０を設ける必要がある。
【００８０】
以上，本実施形態にかかるダイシング装置１０における冷却手段５０の構成，およびその冷却効果について詳細に説明した。かかる冷却手段５０によって，ＰＺＴ振動子３３に対して空気を直接的かつ継続的に吹き付けることにより，ＰＺＴ振動子３３を好適に空冷できる。このため，切断加工中に，時間の経過とともにＰＺＴ振動子３３が高温になってその内部抵抗が増加してしまうことを抑制できる。従って，ＰＺＴ振動子３３に対する供給電力（ＰＺＴ振動子３３が超音波振動発生のために消費する電力）の低下を防ぎ，切削ブレード２２の振幅が低減しないようにできる。よって，ダイシング装置１０を長時間使用した場合であっても，目標通りの切削ブレード２２の振幅を維持して，被加工物１２を高精度で切削することができる。
【００８１】
また，冷却手段５０が噴射する空気を常温（例えば約２２℃）にした場合には，空気を冷却する必要がないため，冷却手段５０の機構を単純化でき，生産コストもかからないという利点がある。一方，冷却手段５０が噴射する空気を約１０℃にした場合には，空気を冷却する必要があるが，空気の供給量を低減できるとともに，ＰＺＴ振動子３３をより確実に冷却できるという利点がある。
【００８２】
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００８３】
例えば，上記実施形態では，超音波振動切削装置としてダイシング装置１０の例を挙げて説明したが，本発明は，かかる例に限定されない。例えば，スピンドル２５により高速回転する切削ブレード２２を用いて被加工物１２を切削加工する装置であれば，例えば，ダイシング加工以外の切削加工を行う各種の切削装置であってもよい。
【００８４】
また，上記実施形態にかかる切削ユニット２０では，スピンドル２５の支持機構として，エアスピンドルの例を挙げて説明したが，本発明はかかる例に限定されない。例えば，スピンドル２５の支持機構は，スピンドル２５をベアリングで機械的に支持するメカスピンドルであってもよい。本発明は，切削ブレード２２を径方向に超音波振動させる超音波振動切削装置であれば，如何なるスピンドルの支持機構であっても適用可能である。
【００８５】
また，上記実施形態では，ＰＺＴ振動子３３は，スピンドル２５の後部側に配設されたが，本発明はかかる例に限定されない。例えば，ＰＺＴ振動子３３は，スピンドル２５の中央部または先端部側などに配設されてもよい。
【００８６】
また，上記実施形態では，固定ボルト２４を用いて基台部２１をスピンドル２５の先端部に固定したが，本発明は，かかる例に限定されず，任意の固定部材を用いてもよい。例えば，スピンドル２５の先端部に形成された雄ねじ部と螺合する固定ナットを用いて，基台部２１を挟み込むようにして，スピンドル２５の先端部に固定してもよい。
【００８７】
また，基台部２１の形状は上記実施形態の例に限定されず，切削ブレード２２を支持可能であれば，任意の形状とすることができる。このとき，基台部２１は，振動伝達方向変換点Ｂ（図４参照）を中心として，スピンドル２５の軸方向に対称な形状とすることが好ましい。これにより，超音波振動の伝達方向を好適に変換して切削ブレード２２に好適に伝達できる。
【００８８】
また，上記実施形態では，切削ブレード２２として，基台部２１と一体化されたハブブレードを用いたが，本発明はかかる例に限定されない。例えば，リング状の切刃部のみからなる所謂ワッシャーブレードを，両側からフランジで挟持して，スピンドル２５に軸着する構成であってもよい。
【００８９】
また，上記実施形態では，冷却手段５０は，スピンドルハウジング２６に貫通形成された給気経路５２の噴射口５２ａから，ＰＺＴ振動子３３に空気を吹き付ける構成であったが，本発明は，かかる例に限定されない。例えば，冷却手段５０は，空気以外の気体，例えば窒素ガスなどを吹き付けるようにしてもよい。また，冷却手段５０は，給気経路５２以外の噴射手段，例えば，スピンドルハウジング２６内に配設された噴射ノズルから，ＰＺＴ振動子３３に対して気体を吹き付けるようにしてもよい。
【００９０】
また，上記実施形態では，空気を噴射する給気経路５２を１つだけ設けて，１箇所からＰＺＴ振動子３３に空気を噴射していたが，本発明は，かかる例に限定されない。例えば，複数の給気経路５２を形成する，或いは，給気経路５２を分岐させて複数の噴射口５２ａを形成することによって，複数箇所からＰＺＴ振動子３３に空気を噴射してもよい。このとき，複数の噴射口５２ａは，スピンドル２５の軸方向に配列されてもよいし，スピンドル２５の周方向に配列されてもよい。また，噴射口５２ａの形状は，上記実施形態のような円形の孔状ではなく，例えば，スリット状や，複数の微細孔からなるシャワー孔状などであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は，切削ブレードを径方向に超音波振動させながら切削を行う超音波振動切削装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかるダイシング装置を示す全体斜視図である。
【図２】同実施形態にかかる切削ユニットを示す斜視図である。
【図３】同実施形態にかかる切削ユニットにおけるスピンドルハウジングの内部構成を示す縦断面図である。
【図４】同実施形態にかかる切削ブレードを径方向に超音波振動させる原理を示す説明図である。
【図５】同実施形態にかかる切削ユニットにおけるスピンドル後端部周辺の構成を示す部分拡大断面図である。
【図６】同実施形態にかかる切削ユニットを用いた実験結果（空気が常温である場合）であり，ＰＺＴ振動子の発振時間［ｍｉｎ］と，ＰＺＴ振動子に対する供給電力［Ｗ］および切削ブレードの振幅［μｍ］との関係を示すグラフである。
【図７】同実施形態にかかる切削ユニットを用いた実験結果（空気が１０℃である場合）であり，ＰＺＴ振動子の発振時間［ｍｉｎ］と，ＰＺＴ振動子に対する供給電力［Ｗ］および切削ブレードの振幅［μｍ］との関係を示すグラフである。
【図８】本願発明者が最初に考案した切削ユニットにおけるスピンドルハウジングの内部構成を示す縦断面図である。
【図９】図８の切削ユニットを用いた実験結果であり，ＰＺＴ振動子の発振時間［ｍｉｎ］と，ＰＺＴ振動子に対する供給電力［Ｗ］および切削ブレード２２の振幅［μｍ］との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９３】
１０  ：  ダイシング装置
１２  ：  被加工物
１５  ：  チャックテーブル
２０  ：  切削ユニット
２１  ：  基台部
２２  ：  切削ブレード
２４  ：  固定ボルト
２５  ：  スピンドル
２６  ：  スピンドルハウジング
３３  ：  ＰＺＴ振動子
４０  ：  非接触給電装置
５０  ：  冷却手段
５２  ：  給気経路
５２ａ：  噴射口
５４  ：  給気管
５６  ：  排気経路
５６ａ：  吸気口
５６ｂ：  排気口
【図１】
2006228831.tif 000003
【図２】
2006228831.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006228831.tif 000006
【図５】
2006228831.tif 000007
【図６】
2006228831.tif 000008
【図７】
2006228831.tif 000009
【図８】
2006228831.tif 000010
【図９】
2006228831.tif 000011