(57)【要約】【課題】回転する超音波振動子を用いることなく、切断ブレードの寿命が長くなると共に、加工精度の向上する切断装置を提供することにある。【解決手段】切断ブレード１の側面にランジュバン型超音波振動子の超音波放射面を平行に位置させる。そして切断ブレード１の側面とランジュバン型超音波振動子の超音波放射面の間に、ランジュバン型超音波振動子の中心軸部を通し、超音波放射面から水を放出する。その結果、切断ブレード１の側面とランジュバン型超音波振動子の超音波放射面の間に水を満たされ、超音波振動が切断ブレード１に効率よく伝播する。【選択図】図１
2005053203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切断ブレードに近接して超音波振動子を配置し、かつ切断ブレードと超音波振動子の間に液体が流れることを特徴とする切断装置。
【請求項２】
切断ブレードの面に超音波振動子の放射面を平行に配置することを特徴とする請求項１の切断装置。
【請求項３】
超音波振動子の超音波放射面の一部から液体を放出することを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の切断装置。
【請求項４】
超音波振動子の超音波放射面に複数の孔があり、その孔から液体を放出することを特徴とする請求項３に記載の切断装置。
【請求項５】
切断ブレードの温度を測定し、液体の温度を調節する装置を備えていることを特徴とする請求項１、請求項２および請求項３に記載の切断装置。
【請求項６】
被加工物の温度を測定し、液体の温度を調節する装置を備えていることを特徴とする請求項１、請求項２および請求項３に記載の切断装置。
【請求項７】
超音波振動子の振動モードが縦振動であることを特徴とする請求項１の切断装置。
【請求項８】
超音波振動子が複数であることを特徴とする請求項１の切断装置。
【請求項９】
超音波振動子の発振周波数が複数であることを特徴とする請求項８の切断装置。
【発明の詳細な説明】
【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、超硬金属などを切断する切断装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】一般に、ガラス、シリコンウエハー、シリコンナイトライド、超硬金属などの脆性材料に溝入れ又は切断等の加工を施すには、従来例えば図７に示すような薄いリング状の切断ブレード１を回転スピンドル３の先端に取り付けた第１のフランジ４ａと、回転スピンドル３のねじ部に嵌めた第２のフランジ４ｂとで切断ブレード１を挟み付け、締め付け用ナット５をねじ部に螺着することにより固定し、この切断ブレード１を回転させてその外周切削部で加工するようになっている。また、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「超音波便覧」（丸善株式会社、平成１１年発行）６７９〜６８４ページに詳しく記載されている。
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】過去、切断ブレードに超音波振動を加える試みが多くなされてきた。しかしながら、過去試された方法は図８に示すように回転スピンドル２の一部を超音波振動子にする方法であった。すなわち、回転スピンドル２に圧電素子６ａ、６ｂを設け、超音波振動子とする。そして圧電素子６ａ、６ｂに超音波発振器７よりスリップリング８を介して高周波交流電圧を印加する。その結果、回転スピンドル２に超音波振動が励起され、これが切断ブレード１に伝達する。
しかし、超音波振動を励起するための超音波発振器からの交流電圧を回転スピンドル２の超音波振動子の圧電素子に印加するためにスリップリングが必要となり装置が複雑化し、かつ高価になる。
また、スリップリングは通常、回転数は５０００ｒｐｍ以下で用いられる。したがって、それ以上の回転スピンドル２の回転数には使用できない。
さらに、回転スピンドル２に超音波振動子を取り付ける必要があるので既存の切断装置をそのまま使用できない。
また、回転スピンドル２に超音波振動子を取り付け、高周波電圧を印加するため、切断ブレードの温度が上がり、さらにこれが被加工物に伝達するため、加工精度が悪化するという問題点がある。
本発明の目的は上述の問題点を解消し、切断ブレードの寿命が長くなると共に、加工精度の向上する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】
【０００４】上記目的を達成するために、切断ブレードに近接して超音波振動子を配置し、かつ切断ブレードと超音波振動子の間に液体が流れることを特徴とする切断装置とするものである。
そして、切断ブレードの面に超音波振動子の放射面を平行に配置することを特徴とする切断装置するものである。
また前記超音波振動子の超音波放射面の一部から液体を放出することを特徴とする切断装置とするものである。
さらに、超音波振動子の超音波放射面に複数の孔があり、その孔から液体を放出することを特徴とする切断装置とするものである。
また、切断ブレードの温度を測定し、液体の温度を調節する装置を備えていることを特徴とする切断装置とするものである。
さらに、被加工物の温度を測定し、液体の温度を調節する装置を備えていることを特徴とする切断装置とするものである。
また、超音波振動子の振動モードが縦振動であることを特徴とする切断装置とするものである。
さらに、超音波振動子が複数であることを特徴とする切断装置とするものである。また、超音波振動子の発振周波数が複数であることを特徴とする切断装置とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】本発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
第１の実施の形態を図１、図２を用いて説明する。
図１（Ａ）は第１の実施の形態を示す切断装置１の装置の上から見た平面図であり、図１（Ｂ）は側面図である。【０００６】切断ブレード１を切断装置の回転モータ２の回転力を伝達する回転スピンドル３に装着した状態を示す。
切断ブレード１は回転スピンドル３の先端に取り付けられた第１のフランジ４ａと、この第１のフランジ４ａに嵌めた第２のフランジ４ｂとで挟持されると共に、回転スピンドル３のねじ部に螺着した締め付け用ナット５により固定されている。【０００７】切断ブレード１の両側の面には切断ブレード１に接触しないランジュバン型超音波振動子９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄがそれぞれ図示しない安全カーバーに２個取り付けられている。ここで図１（Ａ）の矢印は水１０の流れを示す方向である。
それぞれのランジュバン型超音波振動子９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄには超音波発振器７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄより高周波交流電圧がリード線を通して印加される。ここでランジュバン型超音波振動子９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの印加する高周波交流電圧の周波数はそれぞれ異なっている。超音波発振器７ａは約２０Ｋｈｚ、超音波発振器７ｂは約１００Ｋｈｚ、超音波発振器７ｃは約２００Ｋｈｚそして超音波発振器７ｄは約２０００Ｋｈｚである。また、図ではランジュバン型超音波振動子９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの形状を同じにしたが、それぞれの超音波振動が効率よく発振できるように設計されているので、実際の形状は異なる。【０００８】ここで切断ブレード１は円形基板と電着砥粒層とから構成されている。円形基板は鋼板、アルミなどの金属板からなり、中心部には回転スピンドルに装着するための取り付け穴が形成されている。【０００９】また、円形基板に電着砥粒層を形成するには、通常の電気メッキ法を用いることができる。すなわち、メッキ槽に収容された硫酸ニッケル液にダイヤモンド砥粒を混入せしめ、この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り、ダイヤモンド砥粒をニッケルメッキで固定した複合メッキ層からなる電着砥粒層を形成することができる。【００１０】次に、この切断装置の切断方法について説明する。図示しない被加工物を切断するため回転モータ２を運転する。回転モータ２の運動は回転スピンドル３に伝達され切断ブレード１が回転する。また、回転モータ２の運転とほぼ同時にランジュバン型超音波振動子９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄに超音波発振器７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄより高周波交流電圧をリード線を通して印加する。ここで、超音波発振器の発振周波数は異ならせる。この理由は切断ブレードに与える超音波振動数を複数与えたいからである。さらに、これと同時に水１０などの冷却媒体を図の矢印の方向に流す。次に位置合わせを行い、被加工物を切断する。【００１１】切断ブレード１にはランジュバン型超音波振動子９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの超音波振動が水１０を超音波伝播媒体として伝播する。ここで、水がないとランジュバン型超音波振動子の超音波振動は空気を伝播して切断ブレードに伝播することになるが、超音波振動の水と空気の減衰係数を比較すると空気の減衰係数が千倍以上であり、水がないとほとんど切断ブレードにはランジュバン型超音波振動子の超音波振動が伝達しないことがわかる。
そして、ランジュバン型超音波振動子の超音波振動は縦振動である。縦振動以外は、液体中を伝播しないからである。
また、切断ブレード１とランジュバン型超音波振動子９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの超音波放射面との距離が５ｍｍ以上あると、回転スピンドルの回転数にもよるが、切断ブレード１とランジュバン型超音波振動子９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの超音波放射面との間に水１０が無い部分ができる恐れが大きい。
そのため、切断ブレードにランジュバン型超音波振動子の超音波振動が十分に伝達しないこともある。
したがって、切断ブレードとランジュバン型超音波振動子の超音波放射面との距離が５ｍｍ未満で、１ｍｍ以下の距離が望ましい。【００１２】水１０を通して切断ブレード１に伝播する超音波振動は、その振動数によりその作用が異なる。例えば、２０Ｋｈｚ程度であると超音波振動の振幅が大きく、切断スピードが向上する。２００Ｋｈｚ程度では振幅は小さくなるが切断面の面精度は向上する。さらに２Ｍｈｚ程度では、さらに切断面の面精度が向上し、加工物の割れ、カケなどを改善できる。【００１３】振動数を高くすることで、加工物の割れ、カケなどを改善できる。超音波振動加工において超音波振動をより高周波にすると加工面が改善されることは、一般によく知られていることである。【００１４】ランジュバン型超音波振動子の超音波振動を水を通して伝播させたが、超音波振動の減衰係数が小さい液体であれば良く、例えばシリコンオイルでもよい。【００１５】図２は図１に用いたランジュバン型超音波振動子の詳細図である。図２（Ａ）は図２（Ｂ）のＡ−Ａで切断した切断断面図である。
ランジュバン型超音波振動子９は、中心軸が貫通したボルト１１にまずポリエチレン製の絶縁リング１２を通し、支持板と電極の働きをするアルミ板１３を通しその両側に圧電素子６ａ、６ｂを通し、さらにその外側にりん青銅製の電極板１４ａ、１４ｂをとおす。ボルト１１の中心軸を貫通した孔２１は水が通る。そして、中心部に雌ねじを切ったアルミ製のブロックに１５ａ、１５ｂより両側から強く締め付ける。
また、超音波振動子の方式は様々で、圧電素子のみでも良い。【００１６】以上のような切断装置によると、回転スピンドル３に超音波振動子を取り付ける必要がないので既設の装置に簡単に取り付けられる。また、回転スピンドル３の回転数に制限がないので毎分１万回転以上のダイサーにも容易に取り付けられる。さらに、ランジュバン型超音波振動子の超音波振動が水を通して切断ブレードに放射されるので切断ブレードの汚れなども落とせる効果も副次的に発生する。【００１７】このように切断作業において超音波振動の効果が十分に発揮できるため、切断抵抗が低減するため、切断ブレードの摩擦熱が少なく加工面の熱歪が少なくなり、切断ブレードの寿命が長くなると共に、加工精度が向上する。【００１８】以上のように切断ブレードに水を媒体として超音波振動を伝播させる構成にすることで過去試された方法の超音波振動による切断ブレードを振動させた構成の欠点を解消できる。【００１９】第２の実施の形態を図３を用いて説明する。図３は、上から見た平面図である。切断装置の構成は図１と同様なものである。切断ブレードを切断装置の回転モータ２の回転力を伝達する回転スピンドル３に装着した状態を示す。
切断ブレード１は回転スピンドル３の先端に取り付けられた第１のフランジ４ａと、この第１のフランジ４ａに嵌めた第２のフランジ４ｂとで挟持されると共に、回転スピンドル３のねじ部に螺着した締め付け用ナット５により固定されている。【００２０】切断ブレード１の側面にはランジュバン型超音波振動子９ａ、９ｂが２個取り付けられている。それぞれのランジュバン型超音波振動子９ａ、９ｂには超音波発振器より高周波交流電圧がリード線を通して印加される。ここでは、図面を簡略化するために超音波発振器は図示しない。
ランジュバン型超音波振動子９ａ、９ｂの中心軸には水１０が流れるように孔２１が通っている。また、水１０を冷却する冷却装置１６があり、その冷却装置１６からパイプ１７を通しランジュバン型超音波振動子９ａ、９ｂの中心軸の孔に水１０を供給する。【００２１】また、冷却装置１６の動作は切断ブレード１の温度を観察する温度センサ１８ａまたは、被加工物２０の温度を観察する温度センサ１８ｂからの温度により決定する。このようにすることにより加工精度を向上させる。【００２２】また、ランジュバン型超音波振動子は安全カーバー１９に取り付ける。安全カーバーの上蓋は図を簡単化するため省いた。このようにすることより、切断装置本体にはなんらの改造もすることなしに、切断ブレード１に超音波振動をあたえることができる。【００２３】図４は切断ブレード１の側面とランジュバン型超音波振動子９の超音波放射面の間にできるかぎり水を均一に分布させる手段であるが、ランジュバン型超音波振動子９の超音波放射面に複数の水を放出する孔２１を設けることである。このようにすれば、より損失が少なく切断ブレード１の面とランジュバン型超音波振動子の超音波放射面の間を超音波振動が伝播する。【００２４】このように切断作業において超音波振動の効果が十分に発揮できるため、切断抵抗が低減するため、切断ブレードの摩擦熱が少なく加工面の熱歪が少なくなり、切断ブレードの寿命が長くなると共に、加工精度が向上する。【００２５】第３の実施の形態を図５を用いて説明する。図５は、上から見た平面図である。切断ブレード１にはランジュバン型超音波振動子９ａ、９ｂが２個取り付けられている。１個は切断ブレード１の側面に平行にランジュバン型超音波振動子９ａの超音波放射面があり、別の１個は切断ブレード１の切断面に平行にランジュバン型超音波振動子９ｂの超音波放射面がある。切断ブレード１の切断面に平行にランジュバン型超音波振動子９ｂの超音波放射面があることは、超音波振動を伝達できる面積が小さくなり、超音波振動の伝達の役割は前者と比較すると小さい。しかし、切断面の汚れを落とす効果は大きい。
もちろん、切断ブレード１とランジュバン型超音波振動子９ａ、９ｂの放射面との間には水１０などの液体が必要であることは、云うまでもない。【００２６】以上のように切断ブレード１にはランジュバン型超音波振動子９ａ、９ｂの放射面の距離を小さくし、かつその間に液体が存在させることにより切断ブレード１のドレッサーの役割から切断スピードの向上まで様々な効果が得られる。【００２７】第４の実施の形態を図６を用いて説明する。図６は、上から見た平面図である。切断ブレード１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅは５枚ある。これらの切断ブレード１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅはフランジ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ挟まれ、回転スピンドル３のねじ部に螺着した締め付け用ナット５により固定される。切断ブレード１間の間隔は約３ｍｍである。
ランジュバン型超音波振動子９の放射面には、水１０が流れる孔２１があり、切断ブレード１間に水が放出されるように孔２１は複数位置している。ランジュバン型超音波振動子は図面の都合上、ランジュバン型超音波振動子の放射面の部分だけにした。ここで、水１０は細線で表した。
水１０は切断ブレード１の間に細線で表したように存在することができるので、超音波振動は切断ブレード１の側面にもよく伝播する。これは、ランジュバン型超音波振動子９の放射面を切断ブレードの側面と平行に配置したときとほぼ同じである。
また、切断ブレード１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅの間に水をより確実に供給するため、切断ブレード１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅの間に細いノズルを設け、このノズルから回転スピンドルの中心軸方向に水を放射することもできる。【００２８】以上のように切断ブレード１が複数であるときは、ランジュバン型超音波振動子９の放射面が、切断ブレード１の切断面と平行であっても、切断ブレード１の間に水が存在するとランジュバン型超音波振動子の放射面を切断ブレードの側面と平行に配置した時とほぼ同じ効果が得られる。
【発明の効果】
【００２９】以上説明したように、本発明によれば、従来の回転する超音波振動子に電力を供給する必要がないので、既設の切断装置にも簡単に取り付けることができる。また、切断作業において超音波振動の効果が十分に発揮できるため、切断抵抗が低減するため、切断ブレードの摩擦熱が少なく加工面の熱歪が少なくなり、切断ブレードの寿命が長くなると共に、加工精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１の実施の形態の切断装置を説明する図である。
【図２】  第１の実施の形態のランジュバン型超音波振動子の詳細な図である。
【図３】  第２の実施の形態の切断装置を説明する図である。
【図４】  第２の実施の形態の別のランジュバン型超音波振動子の超音波放射面示す図である。
【図５】  第３の実施の形態の切断装置を説明する図である。
【図６】  第４の実施の形態の切断装置を説明する図である。
【図７】  従来の切断ブレード及び回転スピンドル等を説明する図である。
【図８】  従来の切断ブレードに超音波振動を作用させる図である。
【符号の説明】
１    切断ブレード
２    回転モータ
３    回転スピンドル
４    フランジ
５    締め付け用ナット
６    圧電素子
７    超音波発振器
８    スリップリング
９    ランジュバン型超音波振動子
１０  水
１１  ボルト
１２  絶縁リング
１３  アルミ板
１４  電極板
１５  アルミ製のブロック
１６  冷却装置
１７  パイプ
１８  温度センサ
１９  安全カーバー
２０  被加工物
２１  孔
【図１】
2005053203.tif 000003
【図２】
2005053203.tif 000004
【図３】
2005053203.tif 000005
【図４】
2005053203.tif 000006
【図５】
2005053203.tif 000007
【図６】
2005053203.tif 000008
【図７】
2005053203.tif 000009
【図８】
2005053203.tif 000010