(57)【要約】【課題】  機械加工装置により加工される被加工物に超音波振動を与え、機械加工速度および加工精度を向上させることを提供すること。【解決手段】シリコンインゴットの両端面には、超音波振動付与体１である圧電セラミック６をエポキシ樹脂で接着している。シリコンインゴットと接着されている圧電セラミック６の面はアース電極面である。電気配線を容易にするためアース電極面と接続する折り返し電極８を設けている。そしてスラリー液などにより電気的ショートしないように圧電セラミック６の表面の表電極７と折り返し電極８とともに絶縁塗料によりコートされている。なお圧電セラミック６は厚さ方向に分極されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械加工装置により機械加工される被加工物に、超音波振動を付与する超音波振動付与体を接合していることを特徴とする。
【請求項２】
機械加工装置により機械加工される被加工物に、ダミー部材と超音波振動付与体を接合し、被加工物とダミー部材を機械加工することを特徴とする。
【請求項３】
超音波振動付与体に超音波発振回路を電気的に接続し、１５ＫＨｚ以上１００ＫＨｚ未満の電圧を印加する請求項１及び請求項２に記載の超音波振動付与体。
【請求項４】
超音波振動付与体が超音波発生素子であること、超音波振動付与体が超音波発生素子とフロント部材であること、超音波振動付与体が超音波発生素子とリア部材であること、超音波振動付与体が超音波発生素子とフロント部材とリア部材であることのいずれかの構成であることを特徴とする請求項１、２及び請求項３に記載の超音波振動付与体。
【請求項５】
リア部材を、機械加工装置の加工台に接触させ、取付けることを特徴とする請求項４に記載の超音波振動付与体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ガラス、セラミック、シリコーン、チタン、超硬金属などの難切削材料および一般の金属材料、有機材料、無機材料およびそれらを複合化した材料の切断、研削及び研磨加工に用いられる超音波振動付与体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  一般に、ガラス、セラミック、シリコーン、チタン、超硬金属などの硬度が高い脆性材料を切断、研削等の加工を施すことは、非常に困難であり従来から工具に超音波振動を加え加工することが行われている。このような超音波切削加工は、切削抵抗が低減するため、切削ツールの摩擦熱が少なく加工面の熱歪が少なくなり、切削ツールの寿命が長くなると共に、加工精度の向上につながってくる。なお超音波切削加工について非特許文献１に詳しく記載されている。【０００３】  また、被加工物を固定するテーブルに振動を与え、これを被加工物に伝播させ、振動切削加工を行うことは、よく知られていることである。例えば、図１０に示す特許文献１の超音波振動テーブルは、工作機械のベッドに取り付けられ加工される被加工物を固定可能にするテーブル装置であり、その概略の構成は以下の通りである。
まず、振動を発生する超音波振動子がある。そしてその超音波振動を増幅し、振動テーブルに伝達するためのアルミニム製の伝達ホーンがある。この伝達ホーンは超音波振動子と接する面は超音波振動子と同じ直径であるが外フランジより上部ではそれよりも直径は小さくなっている。そして、ケーシングの内フランジに外フランジをゴム板を挟んだ状態でボルト部材によって締結固定されている。また、振動テーブルの下部から下方に突き出し、ケーシングの外側に形成された案内用凹部に挿入されて振動テーブルの横移動を制限しながら上下方向に案内するガイド部材を有している。【０００４】  さらに別の方式として特許文献２には、被加工物を固定保持するテーブルの下面に３個のボルト締めランジュバン型超音波振動子２が固定され、テーブルの下面が本体ケースに接続されている構成の振動テーブルが開示されている。そしてこれらのボルト締めランジュバン型超音波振動子２によって円盤状のテーブルの上側表面に仮固定された加工対象物に超音波振動を付与することにより、硬脆材料から形成された加工対象物の極微小径穴あけ加工や溝入れ加工が容易になるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】  特開２００２−３５５７２６号  公報
【特許文献２】  特開２００３−２２０５３０号  公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】超音波便覧編集委員会、「超音波便覧」、丸善株式会社、平成１１年８月、ｐ６７９−６８４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  しかしながら、上記の特許文献１及び特許文献２の超音波振動テーブルは、超音波振動テーブルの固有振動モードで振動する。超音波振動テーブルの被加工物を載せるテーブルは、被加工物より面積が広く、一般的に複雑な振動モードになる。このため、被加工物が載るテーブル位置によっては被加工物に十分に超音波振動が伝搬しない。【０００８】  また、上記被加工物を載せるテーブルは、一般的に平面形状であり、例えば球面体をテーブルに保持することができない。そのため例えば球面体を保持するための保持治具を用いて保持するが、先に述べたようにテーブルの位置により超音波振動の大きさが異なり、保持治具で球面体を固定できても、被加工物に十分に超音波振動が伝搬しない。【０００９】  さらに、特許文献２の超音波振動テーブルは、テーブルの下面の外周部が本体ケースに接続されているため、特許文献１の超音波振動テーブルと同様に振動するテーブルと本来振動してはならない本体ケースが固着しているため、テーブルの振動が抑制され、本体ケースまたはベースに振動が漏れる。このため同じ振動変位をテーブルが持つためにより多くの電力を投入しなければならないため発熱の問題が生じる。そして超音波振動テーブルを取り付けた加工装置に不要な振動が伝達してしまい加工装置の性能を低下させてしまうという問題点もある。【００１０】  また、一般に超音波振動テーブルは、高さが約１００ｍｍ以上であり、小型の機械加工装置によっては、取付けることが困難になる。【００１１】  本発明の目的は上述の問題点を解消する超音波振動付与体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  本発明は、機械加工装置により機械加工される被加工物に、超音波振動を付与する超音波振動付与体を接合するものである。【００１３】  本発明はまた、機械加工装置により機械加工される被加工物に、ダミー部材と超音波振動付与体を接合し、被加工物とダミー部材を機械加工するものである。【００１４】  本発明はまた、前記超音波振動付与体に超音波発振回路を電気的に接続し、１５ＫＨｚ以上１００ＫＨｚ未満の電圧を印加するものである。【００１５】  本発明はまた、超音波振動付与体が超音波発生素子であること、超音波振動付与体が超音波発生素子とフロント部材であること、超音波振動付与体が超音波発生素子とリア部材であること、超音波振動付与体が超音波発生素子とフロント部材とリア部材であることのいずれかの構成とするものである。【００１６】  本発明はまた、リア部材を、機械加工装置の加工台に接触させ、取付けるものである。
【発明の効果】
【００１７】  本発明の超音波振動付与体は、被加工物に直接接合するので、被加工物の形状によらず、超音波振動の伝搬損失を少なくすることが可能であり、被加工物の加工速度を向上させ、そして加工精度の向上をさせることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】  本発明の第１の構成の超音波振動付与体などを示す斜視図である。
【図２】  超音波振動付与体の詳細を示す斜視図である。
【図３】  ワイヤソーの概略を示す斜視図である。
【図４】  切断溝の振動モードを示す断面図である。
【図５】  本発明の第２の構成の超音波振動付与体などを示す平面図である。
【図６】  図５の側面を示す図である。
【図７】  本発明の第３の構成の超音波振動付与体などを示す平面図である。
【図８】  図７の側面を示す図である。
【図９】  本発明の第４の構成の超音波振動付与体などを示す斜視図である。
【図１０】  超音波振動テーブルの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】  本発明の超音波振動付与体１を、添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１の構成の斜視図である。超音波振動付与体１が超音波発生素子１８だけで構成されている場合である。そして超音波発生素子１８は、圧電セラミック６である。
【００２０】  被加工物２は例えば直径２００ｍｍ、長さ４００ｍｍのシリコンインゴットである。これを切断するため、機械加工装置であるワイヤソーを用いる。ワイヤソーの加工台４に図示しないクランプ装置によりステンレス製の取付け台１５を固定する。ステンレス製の取付け台１５に保持治具３をエポキシ樹脂により取付ける。保持治具３はカーボン製である。前記保持治具３に被加工物２であるシリコンインゴットをエポキシ樹脂で接着する。
【００２１】  予めシリコンインゴットの両端面には、超音波振動付与体１である斜視図である図２で示す圧電セラミック６をエポキシ樹脂で接着している。シリコンインゴットと接着されている圧電セラミック６の面はアース電極面である。電気配線を容易にするためアース電極面と接続する折り返し電極８を設けている。そしてスラリー液などにより電気的ショートしないように圧電セラミック６の表面の表電極７と折り返し電極８とともに絶縁塗料によりコートされている。なお圧電セラミック６は厚さ方向に分極されている。そして、ここでは圧電セラミック６が超音波発生素子１８である。
【００２２】  次にこの超音波振動付与体１を用いたワイヤソーの動作例について斜視図である図３を用いて説明する。ワイヤソーの加工台４に取付け台１５をクランプする。加工台４に取付け台１５を保持固定する他の方法には、ワックスによる接着、テーブルにネジ等により固定する、磁気的に固定する、静電的に固定する、冷凍して固定するなどがある。
【００２３】  次に、シリコンインゴットの両端面にエポキシ樹脂で接着された超音波振動付与体１である圧電セラミック６と超音波発振回路を電気的に接続する。そして、約５５ＫＨｚの交流電圧を印加する。超音波振動付与体１は超音波振動する。
【００２４】  次に図示しないスラリー供給ノズルから加工用ローラ９ａ、９ｂ間のワイヤ５にスラリーを供給しつつ、加工用ローラ９ａ、９ｂ、９ｃを回転させてワイヤ５を線方向に進退走行させることでシリコンインゴットをウェハ状にスライス加工する。
【００２５】  シリコンインゴットに直接接合した超音波振動付与体１の超音波振動により、シリコンインゴットは、超音波振動する。この振動により、３００μｍ以下の切断溝１０でもスラリー液は、シリコンインゴットの直径が１００ｍｍ以上になっても切断溝１０の中に侵入することができる。この理由は、図４の断面図で示すような切断溝１０でのスラリー液の表面張力をシリコンインゴットの図４の２点鎖線で示す超音波振動１１が乱し、スラリー液を切断溝１０の奥に侵入させることができるためと考えられる。この考察の検証として、シリコンウェハ上の水滴に、シリコンウェハの下面より超音波振動を与え、水滴がシリコンウェハ上を拡がることを確認している。また、ビデオによる観察により、水滴とシリコンウェハの接触角が超音波振動を与えているときには、小さくなっていることも確認している。
【００２６】  またシリコンインゴットの超音波振動により、ワイヤ５とシリコンインゴットの接触時間は小さくなり、ワイヤ５とシリコンインゴットの摩擦により発熱は減少する。このためワイヤ５の寿命は長くなり、かつシリコンインゴットの加工精度は高くなる。そして、ワイヤ５とシリコンインゴットの摩擦が、ほぼ半減するため加工速度を２倍にすることも可能である。
【００２７】  上記においては、超音波発生素子に印加する周波数を約５５ＫＨｚの１つの周波数を用いたが、もちろん、２周波数以上でも良い。さらに、例えば、約３５ＫＨｚ、約４５ＫＨｚ、約５５ＫＨｚの３周波数でも良い。
【００２８】  図５は本発明の第２の構成を示す平面図、図６は図５の側面図である。ここで超音波振動付与体１は、フロント部材１６、超音波発生素子１８、リア部材１７から構成されている。そして超音波発生素子１８は、圧電セラミック６である。
【００２９】  被加工物２は例えば直径４０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの石英ガラス板である。これを直径０．１ｍｍの貫通孔を設けるため、フライス盤に取り付けたドリルを用いる。フライス盤の加工台に図示しないクランプ装置により鋼製の取付け台１５を固定する。取付け台１５に多孔質金属製ブロック１２を接合する。多孔質金属製ブロック１２は、超音波振動の伝搬を小さくするものであり、金属ブロックに孔やスリットを設けたもの、または多孔質セラミックなどでもよい。一方、超音波振動付与体１は、４０ｍｍφそして２ｍｍ厚さの圧電セラミック６の上にフロント部材１６、下にリア部材１７である２ｍｍ厚のガラス繊維複合材料板を配置してエポキシ樹脂により接合して組み立てた。ここで、フロント部材１６は、圧電セラミック６の電極と金属部品などの電気的ショートを防止するためと、超音波振動を伝搬させるものである。したがって、ガラス繊維複合材料板の他、ガラス、絶縁性セラミックなどでもよい。また、被加工物２と圧電セラミック６の間に位置するフロント部材１６は、超音波振動の伝搬をできるだけ損失無く行わせるため、超音波伝搬方向の厚さは５ｍｍ以下が好ましい。より好ましくは２ｍｍ以下である。リア部材１７は、被加工物２に対して超音波振動付与体１の最も後方に位置する構成体である。リア部材１７は、超音波伝搬については、どちらかというとロスが大きくてもよく、多部品との電気的ショートの虞を無くするため電気的絶縁性であったほうがよい。そしてこの超音波振動付与体１を多孔質金属製ブロック１２に接着剤で接合する。
【００３０】  被加工物２と共に孔加工されるダミー部材１４である２ｍｍ厚のガラス繊維複合材料板に石英ガラス板を、ワックスを用いて接着する。このワックスは約８０℃に加熱することで石英ガラス板をガラス繊維複合材料板から外すことができる。ワックスのような接着材を用いることで、超音波振動付与体１を再使用することができるのでドリル加工コストを安価にできる。
【００３１】  次にこの超音波振動付与体１を用いたフライス盤の動作例について説明する。石英ガラス板を接着したダミー部材１４である２ｍｍ厚のガラス繊維複合材料板をフロント部材１６にワックスを用いて接着する。フライス盤の加工台に鋼製の取付け台１５をクランプ装置により取付ける。
【００３２】  超音波振動付与体１を構成している圧電セラミック６と超音波発振回路を電気的に接続する。そして、約５０ＫＨｚの交流電圧を印加する。超音波振動付与体１は超音波振動する。
【００３３】  次に研削液を供給しつつ、フライス盤に取り付けたドリルを回転させつつ下降させ、石英ガラス板に孔加工する。
【００３４】  石英ガラスに接合した超音波振動付与体１の超音波振動により、石英ガラスは、超音波振動する。この超音波振動により、ドリル直径が１００μｍの加工孔でも研削液は、石英ガラスの加工孔深さが１００μｍ以上になっても加工孔の中に侵入することができる。この理由は、加工孔での研削液の表面張力を石英ガラスの超音波振動が乱し、研削液を加工孔の奥に侵入させることができるためと考えられる。
【００３５】  また石英ガラスの超音波振動により、ドリルと石英ガラスの接触時間は小さくなり、ドリルと石英ガラスの摩擦により発熱は減少する。このためドリルの寿命は長くなり、かつ石英ガラスのチッピングは少なくなり、そして加工精度は高くなる。そして、ドリルと石英ガラスの摩擦が、ほぼ半減するため加工速度を２倍にすることも可能である。
【００３６】  図７は本発明の第３の構成を示す平面図である。そして図８は、図７の側面図である。ここで超音波振動付与体１は、フロント部材１６、超音波発生素子１８、リア部材１７から構成されている。そして超音波発生素子１８は、圧電セラミック６である。
【００３７】  回転軸に円盤状の切断ブレードを取り付け、回転させながら被加工物２を切断または溝入れする切断装置に超音波振動付与体１を用いたものについて説明する。
【００３８】  切断ブレードは、金属製の円形基板に電着砥粒層を形成することにより作成する。電着砥粒層の形成は、硫酸ニッケル液にダイヤモンド砥粒が混入したメッキ液中で円形基板にニッケルメッキすることによるものである。
【００３９】  被加工物２は長さ５０ｍｍ、幅３５ｍｍそして厚さ１２ｍｍの着磁前のネオジ鉄のブロックである。これを幅方向に１．２ｍｍの板厚の薄板を得るために、１．０ｍｍ厚の切断ブレードより切断加工する。切断加工により長さ３５ｍｍ、幅１ｍｍそして厚さ１２ｍｍの薄板を作成する。切断装置の加工台に図示しない電磁チャック装置により鋼製の取付け台１５を固定する。
【００４０】  超音波振動付与体１は、以下のように作成する。長さ５０ｍｍ、幅３５ｍｍそして厚さ１ｍｍのリア部材１７であるガラス繊維複合材料板に長さ３８ｍｍ、幅２２ｍｍそして厚さ１ｍｍの超音波発生素子１８である圧電セラミック６を２枚エポキシ樹脂により接合する。そして、圧電セラミック６の表面に同じく長さ５０ｍｍ、幅３５ｍｍそして厚さ１ｍｍのフロント部材１６であるガラス繊維複合材料板をエポキシ樹脂により接合する。
【００４１】  一方、ダミー部材１４である長さ５０ｍｍ、幅３５ｍｍそして厚さ０．５ｍｍのガラス繊維複合材料板の両面にワックスを塗り、片面に長さ５０ｍｍ、幅３５ｍｍそして厚さ１２ｍｍの着磁前のネオジ鉄を接着し、他方の面を超音波振動付与体に接着する。なお、ここで用いたワックスは約８０℃に加熱することでネオジ鉄のブロックをダミー部材１４であるガラス繊維複合材料板から外すことができる。ワックスのような接着材を用いることで、超音波振動付与体１を再使用することができるので切断加工コストを安価にできる。
【００４２】  次にこの超音波振動付与体１を用いた切断装置の動作例について説明する。鋼製の取付け台１５と超音波振動付与体１を、エポキシ接着剤を用いて接着する。超音波振動付与体１にワックスによりダミー部材１４と石英ガラス板を保持固定する。そして、切断装置の加工台４に鋼製の取付け台１５を電磁チャック装置により取付ける。
【００４３】  ネオジ鉄のブロックが接着された超音波振動付与体１を構成する圧電セラミック６と超音波発振回路を電気的に接続する。そして、約３６ＫＨｚの交流電圧を印加する。超音波振動付与体１は超音波振動する。
【００４４】  次に切削液を供給しつつ、切断ブレードを約毎分５０００回転させつつ下降させ、加工台４を切断方向に移動させることによりネオジ鉄のブロックを切断加工する。なお、切断深さは、１２．１ｍｍであり、長さ５０ｍｍ、幅３５ｍｍそして厚さ０．５ｍｍのダミー部材１４であるガラス繊維複合材料板には、０．１ｍｍの溝ができた。
【００４５】  ネオジ鉄のブロックに接合した超音波振動付与体１の超音波振動により、ダミー部材１４を介してネオジ鉄のブロックは、超音波振動する。この超音波振動により、切断溝１０の中の切削液が超音波振動することにより、ネオジ鉄のブロックの切断溝１０の中の切断屑の排出が容易になり、切断加工の摩擦抵抗が小さくなる。
【００４６】  またネオジ鉄のブロックの超音波振動により、切断ブレードとネオジ鉄のブロックの接触時間は小さくなり、切断ブレードとネオジ鉄のブロックの摩擦による発熱は減少する。このため切断ブレードの寿命は長くなり、かつネオジ鉄のブロックのチッピングは少なくなり、加工精度は高くなる。そして、切断ブレードとネオジ鉄のブロックの摩擦が、ほぼ半減するため加工速度を２倍にすることも可能である。
【００４７】  図９は本発明の第４の構成を示す斜視図である。ここで超音波振動付与体１は、フロント部材１６、超音波発生素子１８から構成されている。そして超音波発生素子１８は、圧電セラミック６である。
【００４８】  被加工物２は５０ｍｍ角、高さ１００ｍｍの炭化珪素である。この上面を研磨するため、グラインダ装置に取り付けた円環状の砥石を用いる。グラインダ装置の回転する加工台に図示しない電磁チャック装置により鋼製の取付け台１５を固定する。取付け台１５に多孔質金属製ブロック１２を溶接により接合する。一方、超音波振動付与体１は、長さ４５ｍｍ、幅２５ｍｍそして２ｍｍ厚さの超音波発生素子１８である圧電セラミック６に長さ４５ｍｍ、幅２５ｍｍそして厚さ１ｍｍのフロント部材１６であるガラス繊維複合材料板１３をエポキシ樹脂により接合して組み立てた。そしてこの超音波振動付与体１を炭化珪素の側面に４個の超音波振動付与体１を、ワックスを用いて接着する。ここで、フロント部材１６は、超音波振動付与体１の再使用及び被加工物２との音響インピーダンスのマッチングを考慮して用いた。また、被加工物２との音響インピーダンスのマッチングを考慮して超音波振動付与体１は、リア部材１７、超音波発生素子１８から構成される場合もある。
【００４９】  前記ワックスは約８０℃に加熱することで炭化珪素を超音波振動付与体１から外すことができる。ワックスのような接着材を用いることで、超音波振動付与体１を再使用することができるので研磨コストを安価にできる。
【００５０】  次にこの超音波振動付与体１を用いたグラインダ装置の動作例について説明する。フライス盤の毎分１０回転する加工台に鋼製の取付け台１５を電磁チャック装置により取付ける。
【００５１】  超音波振動付与体１を構成している圧電セラミック６と超音波発振回路をスリップリングを用いて電気的に接続する。そして、約４０ＫＨｚの交流電圧を印加する。超音波振動付与体１は超音波振動する。
【００５２】  次に冷却液を供給しつつ、グラインダ装置に取り付けた砥石を毎分２５００回転させつつ下降させ、炭化珪素を研磨加工する。
【００５３】    超音波振動付与体１の超音波振動により、炭化珪素は、超音波振動する。この振動により、砥石と炭化珪素の接触時間は小さくなり、砥石と炭化珪素の摩擦により発熱は減少する。このため砥石の寿命は長くなり、かつ炭化珪素の加工精度は高くなる。そして、砥石と炭化珪素の摩擦が、ほぼ半減するため加工速度を２倍にすることも可能である。
【００５４】  なお超音波振動付与体は、振動数が１５ＫＨｚ以下になってしまうと騒音が大きくなってしまい、１００ＫＨｚを超えると被加工物の振動振幅は小さなり、超音波加工の効果が薄れる。
【００５５】  したがって、超音波振動付与体は、印加する交流電圧の周波数が１５ＫＨｚ以上、１００ＫＨｚ以下であることが望ましい。
【００５６】  本発明の最も大きな特徴は、被加工物のどの位置にも超音波振動付与体を接合することができることである。
【符号の説明】
【００５７】  １    超音波振動付与体
２    被加工物
３    保持治具
４    加工台
５    ワイヤ
６    圧電セラミック
７    表電極
８    折り返し電極
９    加工用ローラ
１０  切断溝
１１  超音波振動
１２  多孔質金属製ブロック
１３  ガラス繊維複合材料板
１４  ダミー部材
１５  取付け台
１６  フロント部材
１７  リア部材
１８  超音波発生素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2011031382.tif 000007
【図６】
2011031382.tif 000008
【図７】
2011031382.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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