(57)【要約】【課題】加工開始時から高い加工速度で安定した加工を行うことができる超音波加工方法を提供する。【解決手段】超音波振動が付与された工具を前進させて工具の先端部により被加工物の加工が開始され（Ｔ１）、工具の先端部が被加工物の表面から所定の微小深さＤ１にまで到達すると（Ｔ２）、工具が所定の後退量Ｄ２だけ後退して工具の先端部が被加工物の表面から離れ（Ｔ３）、次に、工具が所定の前進量Ｄ３だけ前進して被加工物の加工が進行し（Ｔ４）、以降、工具の先端部が被加工物の表面から予定していた加工深さに到達するまで、所定の後退量Ｄ２の後退と所定の前進量Ｄ３の前進が繰り返される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の表面上に砥粒を供給しつつ超音波振動が与えられた工具の先端部を前記被加工物の表面に圧接することにより前記被加工物を加工する超音波加工方法において、
前記工具を前記被加工物に向けて前進させて前記工具の先端部による前記被加工物の加工を開始し、
前記工具の先端部が前記被加工物の表面から所定の微小深さにまで到達したら、前記工具の先端部が前記被加工物の表面から離れるまで前記工具を前記被加工物に対して後退させ、
その後、前記被加工物に対して所定量の前進／後退を繰り返しながら前記工具の先端部による前記被加工物の加工を進行させる
ことを特徴とする超音波加工方法。
【請求項２】
前記被加工物の加工の進行は、所定の前進量の前進と、前記所定の前進量より小さい所定の後退量の後退とを繰り返すことにより行われ、
前記所定の微小深さは、前記所定の後退量より小さい値に設定される
請求項１に記載の超音波加工方法。
【請求項３】
被加工物の表面上に砥粒を供給しつつ超音波振動が与えられた工具の先端部を前記被加工物の表面に圧接することにより前記被加工物を加工する超音波加工装置において、
前記工具を前記被加工物に対して移動させる工具移動部と、
前記工具を前記被加工物に向けて前進させて前記工具の先端部による前記被加工物の加工を開始し、前記工具の先端部が前記被加工物の表面から所定の微小深さにまで到達したら、前記工具の先端部が前記被加工物の表面から離れるまで前記工具を前記被加工物に対して後退させ、その後、前記被加工物に対して所定量の前進／後退を繰り返しながら前記工具の先端部による前記被加工物の加工を進行させるように、前記工具移動部による前記工具の移動を制御する制御部と
を備えたことを特徴とする超音波加工装置。
【請求項４】
前記被加工物に対する前記工具の相対位置を検知する工具位置検知部をさらに備え、
前記制御部は、前記工具位置検知部により検知された前記工具の相対位置に基づいて前記工具移動部を制御する請求項３に記載の超音波加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波加工方法およびその装置に係り、特に被加工物の表面上に砥粒を供給しつつ超音波振動が与えられた工具の先端部を被加工物の表面に圧接することにより被加工物を加工する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製品の製造分野等においては、セラミックス、シリコン等の硬脆性材料を加工することが求められており、その手段として砥粒を用いた超音波加工が利用されている。このような超音波加工においては、例えば特許文献１に記載されているように、砥粒を液体に分散させた砥粒液を工具の周囲に供給しつつ、工具に超音波振動を与えて工具の先端部を所定の加工圧で被加工物の表面に押圧することで被加工物の加工が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１１２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の超音波加工方法では、工具の先端部を被加工物の表面に当接させた状態から、砥粒液を供給すると共に工具に超音波振動を与えて加工を開始するため、工具の先端部と被加工物の表面との間に砥粒が均一に供給されにくく、所望の加工速度を実現することができず、また、加工方向が安定しないおそれがあった。
特に、針状の工具等、細い工具を用いて被加工物に微小径の孔を形成しようとする場合には、図６に示されるように、工具Ｎの先端部と被加工物Ｗの表面との間に砥粒Ｐが適切に供給されないおそれもあり、加工開始時における加工が不安定になりやすい、という問題を生じていた。
【０００５】
この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、加工開始時から高い加工速度で安定した加工を行うことができる超音波加工方法を提供することを目的とする。
また、この発明は、このような超音波加工方法を実施することができる超音波加工装置を提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る超音波加工方法は、被加工物の表面上に砥粒を供給しつつ超音波振動が与えられた工具の先端部を前記被加工物の表面に圧接することにより前記被加工物を加工する超音波加工方法において、工具を被加工物に向けて前進させて工具の先端部による被加工物の加工を開始し、工具の先端部が被加工物の表面から所定の微小深さにまで到達したら、工具の先端部が被加工物の表面から離れるまで工具を被加工物に対して後退させ、その後、被加工物に対して所定量の前進／後退を繰り返しながら工具の先端部による被加工物の加工を進行させる方法である。
【０００７】
好ましくは、被加工物の加工の進行は、所定の前進量の前進と、この所定の前進量より小さい所定の後退量の後退とを繰り返すことにより行われ、前記所定の微小深さは、前記所定の後退量より小さい値に設定される。
【０００８】
この発明に係る超音波加工装置は、被加工物の表面上に砥粒を供給しつつ超音波振動が与えられた工具の先端部を被加工物の表面に圧接することにより被加工物を加工する超音波加工装置において、工具を被加工物に対して移動させる工具移動部と、工具を被加工物に向けて前進させて工具の先端部による被加工物の加工を開始し、工具の先端部が被加工物の表面から所定の微小深さにまで到達したら、工具の先端部が被加工物の表面から離れるまで工具を被加工物に対して後退させ、その後、被加工物に対して所定量の前進／後退を繰り返しながら工具の先端部による被加工物の加工を進行させるように、工具移動部による工具の移動を制御する制御部とを備えたものである。
【０００９】
なお、被加工物に対する工具の相対位置を検知する工具位置検知部をさらに備え、制御部が、工具位置検知部により検知された工具の相対位置に基づいて工具移動部を制御するように構成することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、工具の先端部が被加工物の表面から所定の微小深さにまで到達したところで、工具の先端部が被加工物の表面から離れるまで工具を被加工物に対して後退させた後、被加工物に対して所定量の前進／後退を繰り返しながら工具の先端部による被加工物の加工を進行させるので、工具の先端部と被加工物の表面との間に砥粒を均一に供給することができ、加工開始時から高い加工速度で安定した加工を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の一実施の形態に係る超音波加工装置を示す図である。
【図２】実施の形態で用いられた砥粒供給部の構成を模式的に示す図である。
【図３】実施の形態の動作を示すフローチャートである。
【図４】実施の形態における加工時刻と工具高さとの関係を示すグラフである。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は実施の形態における加工開始時の工具の先端部の様子を段階的に示す断面図である。
【図６】従来の超音波加工方法における加工開始時の工具の先端部の様子を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に、実施の形態に係る超音波加工装置の構成を示す。超音波加工装置は、直立した柱状の支持部１を有しており、この支持部１に振動ユニット２が鉛直方向に移動自在に取り付けられている。支持部１には、それぞれ鉛直方向に直線状に延びるネジ棒３とレール４が固定されている。一方、振動ユニット２には、ネジ棒３に螺合するナット５を内蔵し、ナット５を回転させることでネジ棒３に沿って自走する電動モータ６が固定されると共に、レール４に係合する車輪７が回転自在に取り付けられている。電動モータ６を駆動することにより、ナット５が回転し、車輪７がレール４上を転動しながら電動モータ６と共に振動ユニット２が鉛直方向に移動する。
【００１３】
振動ユニット２の下部には、ホーン８が配置され、このホーン８の下面に、針形状を有する複数の工具Ｎが鉛直方向下方を向いて固定配置されている。
さらに、振動ユニット２の下方には、複数の工具Ｎに対向するように被加工物Ｗを保持するための被加工物保持台９が配置されている。
【００１４】
また、振動ユニット２の上部に、上方へ向かって延びる高さ計測用ロッド１０が固定されると共に、支持部１に、高さ計測用ロッド１０が挿通される環状の高さ計測センサ１１が支持されている。例えば、高さ計測センサ１１を光電センサで構成し、高さ計測センサ１１の内部を貫通する高さ計測用ロッド１０の外周部に形成された目盛りを高さ計測センサ１１で読み取ることで、支持部１に対する振動ユニット２の高さを計測する、すなわち、被加工物保持台９に保持された被加工物Ｗに対する工具Ｎの相対位置を検知することができる。
【００１５】
さらに、振動ユニット２の下部に、鉛直方向に沿うように配置された平板状の作動部材１２が固定され、支持部１には、この作動部材１２に対応して第１の赤外センサ１３と第２の赤外センサ１４が互いに異なる高さ位置に支持されている。これら第１の赤外センサ１３および第２の赤外センサ１４は、それぞれ振動ユニット２の鉛直方向への移動に応じて作動部材１２がわずかな間隙を介して対向することで作動部材１２の存在を検知し、これにより、それぞれ振動ユニット２が対応する高さに至ったことを検知することができる。
このようにして、第１の赤外センサ１３は、上方の待機位置に位置していた振動ユニット２が下降して工具Ｎが被加工物Ｗの表面に対して所定の距離まで近接したときに作動し、第２の赤外センサ１４は、振動ユニット２が下限高さに到達したときに作動する。
【００１６】
また、被加工物保持台９の近傍には、被加工物保持台９に保持された被加工物Ｗの表面上に砥粒を供給するための砥粒供給部１５が配置されている。
そして、振動ユニット２、電動モータ６および砥粒供給部１５に、これらを制御するための制御部１６が接続され、制御部１６に高さ計測センサ１１、第１の赤外センサ１３および第２の赤外センサ１４が接続されている。
【００１７】
なお、ネジ棒３、レール４、ナット５、電動モータ６および車輪７により、工具Ｎを被加工物Ｗに対して移動させるための工具移動部が構成され、高さ計測用ロッド１０および高さ計測センサ１１により、被加工物Ｗに対する工具Ｎの相対位置を検知するための工具位置検知部が構成されている。
【００１８】
ここで、図２に、砥粒供給部１５の構成を示す。砥粒供給部１５は、水に砥粒Ｐを懸濁させた砥粒液Ｌを貯留する砥粒液タンク１７を有すると共に、被加工物保持台９の斜め上方に被加工物保持台９の上部へ向けて配置された砥粒排出ノズル１８を有しており、これら砥粒液タンク１７と砥粒排出ノズル１８とが砥粒供給管１９を介して連通されている。砥粒供給管１９には、砥粒液Ｌを圧送するためのポンプ２０と、砥粒液Ｌの供給量を調整するためのバルブ２１が接続されている。また、被加工物保持台９の周辺には、砥粒排出ノズル１８から供給された砥粒液Ｌを回収して砥粒液タンク１７へ戻すための砥粒回収部材２２が配置されている。
【００１９】
このような構成により、砥粒液Ｌを砥粒液タンク１７から砥粒排出ノズル１８、被加工物保持台９に保持された被加工物Ｗの表面および砥粒回収部材２２を介して砥粒液タンク１７へと循環させる循環経路が形成される。
【００２０】
次に、この実施の形態に係る超音波加工装置の動作について図３のフローチャートを参照して説明する。
まず、被加工物保持台９に被加工物Ｗを保持する。ここで、制御部１６は、電動モータ６を駆動して工具Ｎの先端部が被加工物Ｗの表面に当接するまで振動ユニット２を下降させ、このときの高さ計測センサ１１の計測値に基づいて被加工物Ｗの表面高さＨ０を予め把握した後、振動ユニット２を所定の待機位置まで上昇させる。
【００２１】
制御部１６は、ステップＳ１で、振動ユニット２に内蔵されている超音波振動子を駆動することにより、ホーン８を介して工具Ｎへの超音波振動の付与を開始すると共に、砥粒供給部１５のポンプ２０を駆動して被加工物Ｗの表面上への砥粒の供給を開始し、さらに、ステップＳ２で、電動モータ６を駆動して振動ユニット２を待機位置から被加工物Ｗへ向けて前進、すなわち下降させる。
このとき、振動ユニット２の下部に固定された作動部材１２により第１の赤外センサ１３が作動するまでは、工具Ｎが被加工物Ｗの表面に対してまだ所定の距離まで近接していないので、比較的高速で振動ユニット２が下降し、第１の赤外センサ１３が作動した後は、低速で振動ユニット２が下降するように構成すれば、加工処理全体の時間短縮を図ることができる。
【００２２】
振動ユニット２の下降に伴い、図４に示されるように、時刻Ｔ１に、工具Ｎの先端部の高さを表す工具高さＨがＨ０に到達して、工具Ｎの先端部が被加工物Ｗの表面に当接すると、工具Ｎに付与された超音波振動が砥粒Ｐを介して被加工物Ｗに伝えられることで被加工物Ｗの表面が破砕されて加工が開始される。これにより、図５（Ａ）に示されるように、工具Ｎの先端部が次第に被加工物Ｗの表面より下方へと前進して被加工物Ｗの表面に凹部Ｒを形成することとなる。
【００２３】
続くステップＳ３で、制御部１６は、高さ計測センサ１１の計測値に基づき、工具Ｎの先端部が被加工物Ｗの表面から所定の微小深さＤ１にまで到達して工具高さＨがＨ１＝Ｈ０−Ｄ１以下になったか否かを判定する。工具高さＨがＨ１＝Ｈ０−Ｄ１以下になったと判定されるまで、ステップＳ２およびＳ３が繰り返され、工具Ｎの下降が続けられる。
【００２４】
時刻Ｔ２に、工具Ｎの先端部が被加工物Ｗの表面から所定の微小深さＤ１にまで到達して、ステップＳ３で、工具高さＨがＨ１＝Ｈ０−Ｄ１以下になったと判定されると、制御部１６は、振動ユニット２の下降を停止し、今度は電動モータ６を逆方向へ駆動して、ステップＳ４で、振動ユニット２を所定の後退量Ｄ２だけ後退、すなわち上昇させる。
この所定の後退量Ｄ２は、予め上記の微小深さＤ１よりも大きい値に設定されており、図５（Ｂ）に示されるように、工具Ｎは、その先端部が被加工物Ｗの表面から離れて被加工物Ｗの表面よりも上方に位置するまで上昇し、砥粒供給部１５によって被加工物Ｗの表面上に供給されている砥粒Ｐが凹部Ｒ内に充填されやすくなる。
【００２５】
振動ユニット２が所定の後退量Ｄ２だけ上昇して、時刻Ｔ３に、工具高さＨがＨ２＝Ｈ１＋Ｄ２になると、制御部１６は、振動ユニット２の上昇を停止し、電動モータ６を再び逆方向へ駆動して、ステップＳ５で、振動ユニット２を所定の前進量Ｄ３だけ前進、すなわち下降させる。
この所定の前進量Ｄ３は、予め上記の後退量Ｄ２よりも大きい値に設定されており、これにより、図５（Ｃ）に示されるように、凹部Ｒ内に充填された砥粒Ｐを介して工具Ｎの先端部から被加工物Ｗに超音波振動が伝えられ、被加工物Ｗの加工が進行して凹部Ｒの深さが次第に増大していく。
【００２６】
振動ユニット２が所定の前進量Ｄ３だけ下降して、時刻Ｔ４に、工具高さＨがＨ３＝Ｈ２−Ｄ３になると、制御部１６は、振動ユニット２の下降を停止し、ステップＳ６で、工具Ｎの先端部が被加工物Ｗの表面から予定していた加工深さＤｓにまで到達して工具高さＨがＨ３＝Ｈ０−Ｄｓ以下になったか否かを判定する。工具高さＨがＨ３＝Ｈ０−Ｄｓ以下になったと判定されるまで、ステップＳ４〜Ｓ６が繰り返される。すなわち、所定の後退量Ｄ２の後退と所定の前進量Ｄ３の前進を繰り返しつつ、被加工物Ｗの加工が進行される。
【００２７】
そして、工具Ｎの先端部が被加工物Ｗの表面から予定していた加工深さＤｓにまで到達して、ステップＳ６で、工具高さＨがＨ３＝Ｈ０−Ｄｓ以下になったと判定されると、制御部１６は、振動ユニット２の移動を停止し、さらに、ステップＳ７で、工具Ｎへの超音波振動の付与を終了すると共に被加工物Ｗの表面上への砥粒の供給を終了して、被加工物Ｗに対する一連の加工処理を完了する。
予定する加工深さＤｓとして被加工物Ｗの厚さよりわずかに大きい値を設定すれば、複数の工具Ｎを用いて被加工物Ｗに複数の貫通孔が形成されることとなる。
【００２８】
なお、第２の赤外センサ１４が作動したときには、制御部１６は、振動ユニット２がそれ以上下降させることのできない下限高さに到達したと判断して、強制的に振動ユニット２を上昇させる、あるいは、超音波加工装置全体の作動を停止させる。
【００２９】
以上説明したように、この実施の形態によれば、工具Ｎの先端部が被加工物Ｗの表面から所定の微小深さＤ１にまで到達したところで、工具Ｎを所定の後退量Ｄ２だけ後退させて、工具Ｎの先端部を一旦被加工物Ｗの表面から離し、その後、所定の前進量Ｄ３の前進と所定の後退量Ｄ２の後退とを繰り返しながら被加工物Ｗの加工を進行させるので、工具Ｎの先端部と被加工物Ｗの表面との間に砥粒Ｐを均一に供給することができる。このため、針状の細い工具Ｎを用いても、加工開始時から高い加工速度で安定した加工を行うことが可能となる。その結果、所望の加工速度を得ることができない、加工方向が所望の方向からずれる、等の不具合による歩留まりの低下が防止される。
【００３０】
特に、加工開始時から安定した加工が可能となるので、加工方向に対して垂直ではなく、所定の角度で傾斜した表面を有する被加工物Ｗに対しても、正確な加工を施すことができる。また、被加工物Ｗの表面の平坦度が低い場合であっても、針状の複数の工具Ｎを用いて複数の貫通孔をそれぞれ正確に形成することができる。
【００３１】
なお、上記の実施の形態では、針形状を有する複数の工具Ｎを用いて被加工物Ｗに複数の小径の孔を形成したが、これに限るものではなく、同様にして、工具の形状に応じた各種の加工を被加工物に施すことが可能である。
また、所定の微小深さＤ１、所定の後退量Ｄ２および所定の前進量Ｄ３は、被加工物Ｗの材質、工具Ｎの形状、超音波振動の振動数および振幅等に応じて、適宜適切な値に設定することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１  支持部、２  振動ユニット、３  ネジ棒、４  レール、５  ナット、６  電動モータ、７  車輪、８  ホーン、９  被加工物保持台、１０  高さ計測用ロッド、１１  高さ計測センサ、１２  作動部材、１３  第１の赤外センサ、１４  第２の赤外センサ、１５  砥粒供給部、１６  制御部、１７  砥粒液タンク、１８  砥粒排出ノズル、１９  砥粒供給管、２０  ポンプ、２１  バルブ、２２  砥粒回収部材、Ｗ  被加工物、Ｎ  工具、Ｌ  砥粒液、Ｄ１  所定の微小深さ、Ｄ２  所定の後退量、Ｄ３  所定の前進量、Ｐ  砥粒、Ｒ  凹部。
【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】
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【図６】
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