(57)【要約】【課題】硬く且つ脆い材料から形成された加工対象物に対して、優れた切断性能を安定して示す円盤状のブレードを用いた超音波切断装置を提供する。【解決手段】  ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を回転アダプター３に挿入し、中空ボルト４の支持フランジ１６ａと回転アダプター３に取り付けられた固定用リング１０ａを接触させる。次に回転アダプター３の先端に固定用リング１０ｂをねじ込み、中空ボルト４の支持フランジ１６ｂと固定用リング１０ｂを接触させ、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を回転アダプター３に支持固定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の外周に、ボルトが中空状であるボルト締めランジュバン型振動子を装着し、そのボルト締めランジュバン型振動子の外周部にオネジを設け、そのオネジと嵌めあわされるメネジを設けたフランジに切断砥石を装着することを特徴とする超音波切断装置。
【請求項２】
ボルトが中空状であるボルト締めランジュバン型超音波振動子の両端部に支持フランジを設け、固定用リングにより支持固定することを特徴とする請求項１に記載の超音波切断装置。
【請求項３】
ボルトが中空状であるランジュバン型超音波振動子と、回転軸または回転アダプターの間に空間を設けることを特徴とする請求項１に記載の超音波切断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、超音波振動を用いる超音波切断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  ガラス、シリコン、アルミナ−チタンカーバイト、シリコンナイトライド、希土類磁石材料もしくは超硬金属などの硬く且つ脆い材料、そしてアルミ、ステンレスなどの加工対象物を切断あるいは溝入れするために、円盤状の砥石またはブレードを備えた切断装置が一般的に用いられている。【０００３】  さらに切断性能の向上は計るために特許文献１に記載の超音波切断装置が提案されている。特許文献１に記載されている構成は以下に示すようなものである。スピンドルに超音波振動子が装着されている。超音波振動子からスピンドルの軸心方向に伝達された超音波は、切削砥石を構成する基台に伝達され、基台の中心部において伝達方向が垂直方向に変換され、電鋳ブレードにも伝達される。すなわち、基台は、超音波の振動方向を変換する振動変換部として機能する。そして、切削砥石が高速回転しながらウェーハに切り込むと共に、電鋳ブレードに伝達される超音波による超音波振動によっても効率よく切削することができると述べられている。【０００４】  一方、特許文献２には、円盤状の切削ブレードとその表面に固定された円環状の超音波振動子からなる円盤状の切削工具を備えた切断装置が開示されている。この切断装置においては、円盤状の切削工具を切削ブレードと共に回転させながら、超音波振動子にて発生した超音波振動をブレードに付与し、この超音波振動が付与されたブレードの外周縁部の刃先を囲う対象物に接触させることにより加工対象物の切断が行われる。そして、同文献の切削工具は、その切断ブレードに超音波振動を付与することにより、加工対象物を高い精度で切削することができると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４５４１７９１号
【特許文献２】特許第５０２０９６２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  上記の特許文献１に記載の切断装置においては、回転軸の方向と一致する縦方向の超音波振動をブレードの径方向の超音波振動に変換する。効率よく振動方向を変換するためには回転軸の形状とブレードとブレードの基台の形状の関係が重要である。つまり、回転軸の形状によりブレードとブレードの基台の形状が決まる。ブレードとブレードの基台の形状はある決まった形状になってしまう。また、回転軸の形状とブレードとブレードの基台の形状が適正でない場合、ブレードの超音波振動は小さくなり、そしてブレードの振動方向が好ましくない回転軸方向の振動成分が大きくなってしまう。【０００７】  また、上記の特許文献２に記載の切断装置においては、円盤状の切削ブレードとその表面に固定された円環状の超音波振動子を接着剤により固定しているが、切削対象物を切削すると切削ブレードも消耗する。したがって、切削ブレードを交換しなければならないが切削ブレードに接合された超音波振動子も一緒に廃棄されてしまう。超音波振動子は、高価であるため、加工コストが上昇してしまう。また切削ブレードが大きくなると超音波振動子を大きくしなければならないが、超音波振動子の大型化は困難である。【０００８】  本発明の目的は、優れた切断性能を持つ超音波切断装置を提供することにある。
本発明の目的はまた、優れた切断性能を安定して示し、かつ設計が容易な超音波切断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明は、回転軸または回転軸アダプターの外周に、ボルトが中空状であるボルト締めランジュバン型超音波振動子を装着し、そのボルト締めランジュバン型超音波振動子の外周部にオネジを設け、そのオネジと嵌めあわされるメネジを設けたフランジに切断砥石を装着する超音波切断装置とするものである。【００１０】  本発明はまた、ボルトが中空状であるボルト締めランジュバン型超音波振動子の両端部に支持フランジを設け、固定用リングにより支持固定する超音波切断装置とするものである。【００１１】    ボルトが中空状であるボルト締めランジュバン型超音波振動子と、回転軸または回転アダプターの間に空間を設ける超音波切断装置とするものである。
【発明の効果】
【００１２】  本発明の超音波切断装置により、容易に大型から小型の切断砥石またはブレードを使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の超音波切断装置の構成例を示す断面図である。
【図２】本発明の別の超音波切断装置の構成例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】  先ず、本発明の超音波切断装置１を添付の図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の超音波切断装置１の回転軸２の中心軸に沿って切断した断面図である。
【００１５】  ここで回転軸２に挿入する回転アダプター３について説明する。回転軸アダプター３は、超音波切断装置１の外部で切断砥石９などを組み立てるために用いられる。通常、切断装置にはカバーが取り付けられており、この中で特に直径が大きい（直径１００ｍｍ以上）切断砥石９を取り付けるのは、作業空間が小さいため、かなり困難である。
【００１６】  切断砥石９を取り付けるためのボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を組み立てる。ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５は、鋼製の中空ボルト４に鋼製のリアマス５をねじ込み、そしてアース用のリン青銅製の電極板１６ａ、鉛系の圧電セラミック製の圧電素子６ａ、電圧印加用のリン青銅製の電極板１６ｂ、鉛系の圧電セラミック製の圧電素子６ｂの順序で鋼製の中空ボルト４に入れ込み、鋼製のフロントマス７をねじ込むことにより一体化して作成する。ここで、鋼製の中空ボルト４と鋼製のリアマス５は、一体で作成することもできる。
【００１７】  中空の円筒状のボルト締めランジュバン型超音波振動子１５のフロントマス７とリアマス５の外周にオネジを持つ。そして、切断砥石７を取り付けるためのメネジを内周に持つフランジ８ａ、８ｂを、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５のフロントマス５とリアマス７の外周のオネジとはめ合わせ取り付ける。
【００１８】  そして、フランジ８ａ、８ｂの間に切断砥石９を挟み、切断砥石９をフロントマス７とリアマス５の外周のオネジとフランジ８ａ、８ｂのメネジで締付ける。
【００１９】  回転アダプター３に固定用リング１０ａをネジにより取り付ける。固定用リング１０ａの後部には回転用ロータリートランス１２が取り付けてある。そして回転用ロータリートランス１２と対向する位置に固定用ロータリートランス１３が装置ケース１４に取り付けられる。
【００２０】  そしてボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を回転アダプター３に挿入し、中空ボルト４の支持フランジ１６ａと回転アダプター３に取り付けられた固定用リング１０ａを接触させる。次に回転アダプター３の先端に固定用リング１０ｂをねじ込み、中空ボルト４の支持フランジ１６ｂと固定用リング１０ｂを接触させ、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を回転アダプター３に支持固定する。
【００２１】  ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５と回転アダプター３は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５の超音波振動を回転アダプター３に伝播させないために、接触させない。実際に製作する際には、回転アダプター３と中空ボルト４の間隔は、５０μｍから１ｍｍ程度が好適である。５０μｍ未満の間隔では、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１を回転アダプター３に挿入するのに時間を要する。１ｍｍより大きい間隔では、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５が大きくなってしまう。
【００２２】  ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を搭載した回転アダプター３を回転軸２に挿入し、取り付けボルト１１を締めることにより超音波切断装置１を構成する。
【００２３】  この超音波切断装置１においては、例えば、以下の手順によって加工対象物の切削（切断あるいは溝入れ）が行われる。
【００２４】  先ず、モータを駆動して、切断砥石を保持している回転軸２を回転させる。次いで、超音波発振回路１７が発生した電圧を電気配線、固定用ロータリートランス１３、回転用ロータリートランス１２、電気配線を介して電極板１８ａ、１８ｂに付与することにより、圧電素子６ａ、６ｂに付与することにより、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を振動させ、所望の切削砥石９を径方向に超音波振動させる。そして、このように超音波振動しながら回転する切削砥石９の外周縁部の刃先を加工対象物に接触させることにより、加工対象物の切削（例、切断あるいは溝入れ）が行われる。
【００２５】  以上に説明した超音波切断装置１は、切断砥石９には圧電素子を接合していないので切断砥石は、安価である。また切断砥石９は、振動変換器と一体化していないので構成が簡単で安価である。そして、切断砥石が直径１００ｍｍ以上の大きさでも比較的容易に製作できる。
【００２６】  ここで、本発明の振動モードについて説明する。ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５のボルトを中空にすることにより、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５の中央部の径方向の振動変位量が大きくなる固有振動モードが存在する。ここで中央部の径方向の振動が最も大きくなるランジュバン型振動子１の外径と内径そして長さに設定する。
【００２７】  実際は、超音波切断装置１の回転軸２の形状があるので、その形状も考慮してボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を設計しなければならない。また、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５に両端面に支持フランジ１６を付設して、この支持フランジ１６を支持固定する。これらの条件を考慮して有限要素法ソフトであるＡＮＳＹＳを用いて切断砥石９をフランジ８ａ、８ｂで保持したボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を設計する。
【００２８】  一般的にボルト締めランジュバン型超音波振動子１５とは、中心部を通るボルトとフロントマス、円環状の圧電素子、電極板、リアマスをナットで締付けて一体化したものを云う。また、ナットはフロントマスにメネジを付設したものでもよいし、リアマスにメネジを付設したものでもよい。さらにフロントマスとボルトを一体化してもよいし、リアマスとボルトを一体化してもよい。
【００２９】  図２の超音波切断装置１は、回転軸２に直接、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５などを装着するものである。切断砥石９の直径が１００ｍｍ以下の小型の超音波切断装置１に適している。
【００３０】  切断装置を簡単、小型にするために回転軸２と固定用リング１０ａを一体化する。また、一体化した固定用リング１０ａに回転用ロータリートランス１２を接合する。回転用ロータリートランス１２と対向する位置に固定用ロータリートランス１３が装置ケース１４に取り付けられる。
【００３１】  一方、中空ボルト４とリアマス５を一体化し、円環状の圧電素子６ａ、６ｂと電極板１８ａ、１８ｂとを挟み、メネジを持つフロントマス７で締め付け一体化する。中空ボルト４の前後の両端に支持フランジ１６ａ、１６ｂを設ける。また、一体化したリアマス５とフロントマス７の外表面にオネジを設ける。これにメネジを持つフランジ８ａ、８ｂをねじ込み、切断砥石９を挟み、締付ける。ここでは、中空ボルト４とリアマス５を一体化したが、さらに中空ボルト４とリアマス５そしてフランジ８ａを一体化してもよい。
【００３２】  次に、固定用リング１０ａを一体化した回転軸２に切断砥石９、フランジ８ａ、８ｂを取り付けたボルト締めランジュバン型超音波振動子１５、固定リング１０ｂを挿入して固定用リング締め付けリング１９により締め付け固定する。
【００３３】  ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５と回転軸２は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５の超音波振動を回転軸２に伝播させないために、接触させない。実際に製作する際には、回転軸２と中空ボルト４の間隔は、２０μｍから１ｍｍ程度が好適である。２０μｍ未満の間隔では、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１を回転軸２に挿入するのに時間を要する。１ｍｍより大きい間隔では、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５が大きくなってしまう。
【００３４】  この超音波切断装置１においては、例えば、以下の手順によって加工対象物の切削（切断あるいは溝入れ）が行われる。
【００３５】  先ず、図示しないモータを駆動して、切断砥石９を保持している回転軸２を回転させる。次いで、超音波発振回路１７が発生した電圧を電気配線、固定用ロータリートランス１３、回転用ロータリートランス１２、電気配線を介して電極板１８ａ、１８ｂに付与することにより、圧電素子６ａ、６ｂに付与することにより、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を振動させ、所望の切削砥石９を径方向に超音波振動させる。そして、このように超音波振動しながら回転する切削砥石９の外周縁部の刃先を加工対象物に接触させることにより、加工対象物の切削（例、切断あるいは溝入れ）が行われる。
【００３６】  ここで、振動モードについて説明する。ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５のボルトを中空にすることにより、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５の中央部の径方向の振動変位量が大きくなる固有振動モードが存在する。ここで中央部の径方向の振動が最も大きくなるランジュバン型振動子１の外径と内径そして長さに設定する。
【００３７】  実際は、超音波切断装置１の回転軸２の形状があるので、その形状も考慮してボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を設計する。また、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５には両端面に支持フランジを持つ。そして、固定用リング１０により、この支持フランジ１６を支持固定する。これらの条件を考慮して有限要素法ソフトであるＡＮＳＹＳを用いて切断砥石９をフランジ８ａ、８ｂで保持したボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を設計する。
【００３８】  以上に説明した超音波切断装置は、切断砥石には圧電素子を接合していないので切断砥石は、安価である。また切断砥石は、振動変換器と一体化していないので構成が簡単で安価である。そして、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を回転軸に取り付けるので超音波切断装置の小型化が可能であり、特に切断砥石が１００ｍｍ以下の場合には好適である。
【００３９】  また、切断砥石は、金属製、レジン製のどちらでも使用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】  本発明の超音波切断装置は、ガラスやシリコンなどの脆い材料から形成された加工対象物の切断あるいは溝入れに有利に用いることができる。
【符号の説明】
【００４１】１    超音波切断装置
２    回転軸
３    回転軸アダプター
４    中空ボルト
５    リアマス
６    圧電素子
７    フロントマス
８    フランジ
９    切断砥石
１０  固定用リング
１１  ナット
１２  回転用ロータリートランス
１３  固定用ロータリートランス
１４  装置ケース
１５  ボルト締めランジュバン型超音波振動子
１６  支持フランジ
１７  超音波発振回路
１８  電極板
１９  固定用リング締付けナット
【図１】
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【図２】
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