超声波共振体的支承构造以及超声波振动加工装置的制作方法

1.本发明主要涉及用于半导体晶片(硅晶片)等硬脆性材料的加工的超声波共振体的支承构造以及超声波振动加工装置。


背景技术：

2.在专利文献1中公开了一种超声波振动切断装置，该超声波振动切断装置使安装于以轴向为水平方向的超声波共振体(超声波振动旋转机构)的前端的圆盘状的切断刀(加工工具的一种)一边进行旋转一边在切断刀的半径方向上进行超声波振动，并且使该切断刀进行直线移动而将晶片(切削对象部件)切断。
3.在专利文献1中，由于成为在超声波共振体的前端安装有切断刀的悬臂构造，因此存在如下的问题：由于在加工中从晶片受到的反作用力，超声波共振体的前端侧容易倾斜，切入速度被限制而加工时间变长。与此相对，如专利文献2、3那样，还公开了如下的装置：使用在安装有振动作用部和旋转刀(加工工具的一种)的超声波变幅器的轴向的两侧分别连结有增强器的超声波共振体(超声波振动用共振器)，并采用对该超声波共振体的轴向的两侧部进行支承的两侧支承构造。
4.在如专利文献2、3那样对超声波共振体进行两侧支承的情况下，为了维持有效的驻波，需要使支承部中的任意一方相对于超声波的振动方向即超声波共振体的轴向不固定而使超声波共振体的一端侧为自由端。
5.因此，在专利文献2中，根据与旋转驱动源的卡合的情况，驱动源侧的增强器(第1增强器)侧经由内壳而被固定于保持架的轴承部(臂)支承，从而在轴向上被固定，另一个增强器(第2增强器)侧被安装于导轨的轴承部(臂)支承为能够在超声波的振动方向即超声波共振体的轴向上滑动而成为自由端。此时，在圆柱状的各个增强器的外周设置有与专利文献4的图1至图3或者专利文献5的图2所记载的支承部相同的支承部。该支承部成为裙状的凸缘，在该支承部的一部分(与超声波共振体的轴向平行的圆筒部)设置有用于吸收半径方向的振动能量的薄壁部(薄壁的中间部)。
6.另外，在专利文献3中，虽然利用空气轴承(气体轴承)将超声波共振体的两侧支承为能够旋转，但根据与旋转驱动源的卡合的情况，驱动源侧的增强器(第1增强器)侧被推力空气轴承在轴向上固定，另一个增强器(第2增强器)侧在空气轴承(径向轴承)内被支承为能够沿超声波的振动方向即超声波共振体的轴向滑动而成为自由端。
7.现有技术文献
8.专利文献
9.专利文献1：日本特开2000-210928号公报
10.专利文献2：日本特开2000-93894号公报
11.专利文献3：日本特开2018-126967号公报
12.专利文献4：日本实开平03-98979号公报
13.专利文献5：日本实开平03-87501号公报


技术实现要素：

14.发明要解决的课题
15.然而，在专利文献2中，存在如下的课题：由于利用机械轴承对超声波共振体的轴向的两侧进行支承，因此如果不使两侧的机械轴承的轴心一致，则无法使超声波共振体顺畅地旋转，对位困难且欠缺组装作业性。另外，存在如下的课题：基于机械轴承的支承构造复杂，部件数量较多，加工、分解以及超声波变幅器的更换也花费工夫，生产率和维护性也欠缺。此外，还存在如下的课题：在纵向地(使超声波共振体的轴向为铅垂方向地)使用该支承装置的情况下，或者在倾斜地(使超声波共振体的轴向相对于水平面倾斜地)使用该支承装置的情况下，安装于成为下侧的第2增强器的旋转筒、轴承(轴承座)以及臂等的重量也施加于对成为上侧的第1增强器进行保持的支承部，由于长时间的使用，支承部的薄壁部容易破损，而且第2增强器侧的重量会对超声波共振体的共振状态产生影响，欠缺耐久性和动作的稳定性。另外，还存在如下的课题：在加工时，无法防止切削水浸入下侧的轴承部的内部和切削屑咬入下侧的轴承部，缺乏可靠性。
16.与此相对，在专利文献3中，利用空气轴承对超声波共振体的轴向的两侧进行支承，安装于第1、第2增强器的第1、第2旋转内壳与安装于框架的第1、第2固定外壳不接触，因此即使以超声波共振体的轴向成为铅垂方向的方式纵向使用，施加于对成为上侧的第1增强器进行保持的支承部的重量(负担)也较少。因此，在专利文献3中，与专利文献2、4、5相同，即使在采用局部具有薄壁部的支承部(裙状的凸缘)的情况下，也不容易产生支承部的薄壁部的破损。但是，存在如下的课题：为了超声波共振体的轴向的支承，需要在第1固定外壳的外侧设置推力空气轴承，在纵向使用时，如果提供至推力空气轴承的空气的压力发生变动，则超声波共振体沿上下方向(轴向)移动，加工位置发生变动而无法进行精密的加工。
17.本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供能够以简单的结构容易地进行组装和分解，生产性和维护性优异，无论超声波共振体的姿势如何都能够进行稳定的动作，能够防止产生加工位置的偏移而进行精密的加工的耐久性和可靠性优异的超声波共振体的支承构造以及超声波振动加工装置。
18.用于解决课题的手段
19.达成上述目的的第1发明的超声波共振体的支承构造将在安装有加工工具的超声波变幅器的轴向的两侧分别同轴地固定有第1增强器和第2增强器的超声波共振体以两端支承的方式支承为能够相对于保持架进行旋转，其中，所述保持架具有：滚动轴承机构，其将所述超声波共振体的所述第1增强器这一侧支承为能够旋转；以及气体轴承机构，其将所述超声波共振体的所述第2增强器这一侧支承为能够旋转。
20.这里，加工工具通过超声波振动的作用进行切断、切削、磨削或者接合等加工。
21.在第1发明的超声波共振体的支承构造中，优选的是，所述滚动轴承机构具有：第1固定圆筒部，其安装于所述保持架的一侧；球轴承，其保持于该第1固定圆筒部的内侧；以及圆筒体，其在内部对所述第1增强器进行保持，外周被所述球轴承支承而与所述超声波共振体一起进行旋转，所述气体轴承机构具有：第2固定圆筒部，其安装于所述保持架的另一侧；以及径向气体轴承部，其在该第2固定圆筒部的内侧将所述第2增强器的外周支承为能够旋转。
22.在第1发明的超声波共振体的支承构造中，优选的是，在所述第1增强器的外周设
置有被保持在所述圆筒体的内部的支承部。
23.在第1发明的超声波共振体的支承构造中，优选的是，所述超声波变幅器和所述第1增强器、所述第2增强器各自的轴向长度与在所述超声波共振体中产生的超声波振动的波长的1/2的长度的整数倍相等。
24.达成上述目的的第2发明的超声波振动加工装置具有第1发明的超声波共振体的支承构造。
25.在第2发明的超声波振动加工装置中，优选的是，所述超声波共振体以使所述第2增强器这一侧斜向下或者铅垂向下的方式配置(在将超声波共振体水平以外地、即使超声波共振体的轴向倾斜或者铅垂地配置的情况下，将第1增强器侧配置于上侧)。
26.发明效果
27.第1发明的超声波共振体的支承构造通过滚动轴承机构将超声波共振体的第1增强器侧支承为能够旋转，并且通过气体轴承机构将第2增强器侧支承为能够旋转，因此能够实现第2增强器侧的支承构造的简化和轻量化，能够降低施加于对第1增强器侧进行支承的滚动轴承机构和设置于第1增强器的支承部的负荷而提高耐久性，并且能够容易地进行超声波变幅器的更换作业而提高维护性。另外，即使对第2增强器侧进行支承的气体轴承机构的气隙在整周范围内不均匀，第1增强器侧也被滚动轴承机构机械地支承，从而超声波共振体的轴心位置确定，因此不需要在滚动轴承机构与气体轴承机构之间进行严格的对位(定心)，组装作业性优异。由于超声波共振体被第1增强器侧的滚动轴承机构机械地支承，因此即使向气体轴承机构提供的气体的提供压力发生变动，超声波共振体也不会沿轴向移动，超声波共振体的支承稳定性优异。
28.第2发明的超声波振动加工装置具有第1发明的超声波共振体的支承构造，由此无论超声波共振体的姿势如何都能够可靠地对超声波共振体进行支承并进行稳定的动作，即使在加工中向气体轴承机构提供的气体的提供压力发生变动，超声波共振体也不会沿轴向移动，不会产生加工位置的偏移，从而能够进行精密加工。
29.另外，在超声波共振体以使第2增强器侧斜向下或者铅垂向下的方式配置(第1增强器侧配置于上侧)的情况下，切削水和切削屑较多地落到第2增强器侧的气体轴承机构，但即使不在第2增强器侧设置特别的罩等，也能够利用从气体轴承机构喷出的压缩气体来防止切削水浸入气体轴承机构的内部和切削屑咬入轴承部，耐久性、维护性以及动作的稳定性优异。
附图说明
30.图1是示出具有本发明的一个实施例的超声波共振体的支承构造的超声波振动加工装置的主要部分的概略说明图。
31.图2的(a)是图1的a-a向视图，图2的(b)是图1的b-b向视图。
32.图3是示出在该超声波振动加工装置的超声波共振体内产生的驻波的状态的说明图。
33.图4是示出在该超声波振动加工装置的变形例的超声波共振体内产生的驻波的状态的说明图。
具体实施方式
34.接下来，参照附图对将本发明具体化的实施例进行说明，以供理解本发明。
35.图1所示的具有本发明的一个实施例的超声波共振体的支承构造10的超声波振动加工装置11利用一边在半径方向上进行超声波振动一边旋转的旋转刀(加工工具的一种)12进行例如硅晶片等硬脆性材料的加工(切断、切削、磨削等)。如图1所示，超声波共振体的支承构造10是将在安装有旋转刀12的圆盘状的超声波变幅器13的轴向的两侧分别同轴地连结有圆柱状的第1、第2增强器14、15的超声波共振体16以两端支承的方式支承为能够相对于保持架17旋转的构造。这里，为了使超声波的传播性相同，超声波变幅器13和第1、第2增强器14、15可以由相同的材质制作，也可以由不同的材质制作，其组合能够适当地选择。而且，保持架17具有将超声波共振体16的第1增强器14侧支承为能够旋转的滚动轴承机构18和将超声波共振体16的第2增强器15侧支承为能够旋转的气体轴承机构19。
36.滚动轴承机构18具有：第1固定圆筒部20，其安装于保持架17的一侧(这里为上侧)；球轴承21，其保持于第1固定圆筒部20的内侧；以及圆筒体22，其在内部对第1增强器14进行保持，外周被球轴承21支承而与超声波共振体16一起旋转。这里，圆筒体22的轴向的一侧(这里为上侧)被封闭部23封闭，另一侧(这里为下侧，超声波变幅器13侧)开口。而且，在第1增强器14的外周突出地设置有保持于圆筒体22的内部的凸缘状的支承部24。另外，在圆筒体22的轴向的另一侧(开口侧)形成有内侧空间的扩径部25，通过将支承部24嵌入于该扩径部25，能够将第1增强器14同心状地配置在圆筒体22的内部。而且，在形成于扩径部25的内周面的内螺纹部(未图示)螺合圆筒状的紧固部件26，在扩径部25的前侧(与开口侧相反的一侧，这里为上侧)的台阶端面27与紧固部件26的前端面之间对支承部24进行夹持，从而能够将第1增强器14保持于圆筒体22的内部。
37.在本实施例中，在第1固定圆筒部20的轴向的2个部位(上下)安装有球轴承21，但球轴承的数量和配置能够适当地选择。另外，支承部24优选与第1增强器14一体地形成，但只要作为对第1增强器14的径向的超声波振动(振动能量)进行吸收的缓冲部件发挥功能即可，其形状能够适当地选择。例如，可以形成为能够沿着半径方向伸缩的波纹状，也可以为具有凸缘部和薄壁的圆筒部的裙状的凸缘。此外，紧固部件的形状和将支承部保持于圆筒体的方法也不限定于本实施例所示的方法，能够适当地选择。
38.接着，气体轴承机构19具有：第2固定圆筒部29，其安装于保持架17的另一侧(这里为下侧)；以及径向气体轴承部30，其在第2固定圆筒部29的内侧将第2增强器15的外周支承为能够旋转。该气体轴承机构19是不具有推力轴承部而直接利用径向气体轴承部30对第2增强器15的外周进行支承的构造，因此能够简化第2增强器15侧的支承构造而实现轻量化，从而能够降低施加于支承部24的负荷(载荷)而提高耐久性。而且，通过第2增强器15侧的支承构造的简化和轻量化，部件数量减少，生产率提高，并且超声波变幅器13的更换作业也能够容易地进行，维护性提高。另外，由于能够利用对第1增强器14侧进行支承的滚动轴承机构18(球轴承21)支承将第2增强器15侧斜向下或者铅垂向下地配置的情况下的推力方向的载荷，因此无论超声波共振体16的姿势(角度)如何都能够进行稳定的动作，通用性优异。
39.接着，在第1增强器14的自由端面32(这里为上端面)安装有超声波振动的振动源33(例如电致伸缩振子)。另外，在圆筒体22的封闭部23的外侧中央部以其轴心与圆筒体22(超声波共振体16)的轴心一致的方式安装有旋转轴36。在旋转轴36的轴向(长度方向)的中
间位置设置有集电环37，从而成为来自高频振荡器38的驱动用信号经由该集电环37而被输入到振动源33的结构。从高频振荡器38经由集电环37输入的驱动用信号通过贯穿旋转轴36的内部和封闭部23的信号线38a而被传递至振动源33。
40.在旋转轴36的前侧(这里为上端侧，自由端侧)经由作为非接触接头的一例的非接触式磁接头41而连结有使超声波共振体16(第1增强器14、超声波变幅器13以及第2增强器15的串联连结体)与圆筒体22一起旋转的旋转驱动源39(例如电动机)的输出轴40。这里，非接触式磁接头41具有：驱动侧磁力部42，其安装于旋转驱动源39的输出轴40的端部；以及从动侧磁力部43，其安装于旋转轴36的自由端并与驱动侧磁力部42对置。如图2的(a)、(b)所示，在该驱动侧磁力部42和从动侧磁力部43中分别以相反极性的磁极面彼此对置的方式相互配置有相同数量(这里为4个)的永久磁铁44、45。而且，通过在驱动侧磁力部42的各永久磁铁44与对置的从动侧磁力部43的各永久磁铁45之间产生的引力，驱动侧磁力部42与从动侧磁力部43以非接触的方式连结。由此，来自旋转驱动源39的旋转动力从输出轴40经由非接触式磁接头41而被传递至旋转轴36，能够使超声波共振体16与圆筒体22一起旋转。
41.由于圆筒体22的旋转轴36与旋转驱动源39的输出轴40之间经由非接触式磁接头41而连结，因此即使超声波共振体16(旋转轴36)的轴心的位置相对于旋转驱动源39的旋转轴40的轴心偏移或轴心倾斜，也能够不相互干涉而维持顺畅的旋转状态。
42.接着，对超声波共振体16的详细情况进行说明。
43.在利用超声波振动加工装置11进行加工(切断、切削、磨削等)时，利用旋转驱动源39使超声波共振体16进行旋转，从而使安装于超声波变幅器13的旋转刀12进行旋转。同时，通过振动源33产生的振动，在超声波共振体16内产生超声波振动的驻波(定波)sw，通过超声波变幅器13(r/l转换)使旋转刀12在半径方向上进行超声波振动。此时，如图3所示，超声波共振体16的超声波变幅器13和第1、第2增强器14、15各自的轴向长度与在超声波共振体16中产生的超声波振动的波长t的1/2的长度(t/2)相等，从而能够使超声波共振体16紧凑化(最短化)，并且能够减少超声波共振体16内的超声波振动的衰减而高效地形成驻波sw。特别是，通过使超声波共振体16的轴向的旋转刀12的安装位置和支承部24的位置与驻波sw的节点(node、节)的位置对应，能够有效利用超声波振动。此时，第1增强器14的自由端面32和第2增强器15的自由端面46的位置成为反节点(antinode、an、波腹)。因此，如果超声波变幅器和第1、第2增强器各自的轴向长度与在超声波共振体中产生的超声波振动的波长t的1/2的长度(t/2)的整数倍相等，则能够得到同样的作用和效果。
44.另外，通过根据所使用的超声波的振动频率对超声波变幅器13和第1、第2增强器14、15各自的轴向长度进行调节(选择)，能够容易地产生驻波sw。
45.在超声波振动加工装置11中，对第1增强器14侧进行支承的滚动轴承机构18具有较高的刚性和定位精度，对第2增强器15侧进行支承的气体轴承机构19经由径向气体轴承部30而对第2增强器15的外周进行支承(在第2增强器15的外周存在气隙)，因此不需要在滚动轴承机构18与气体轴承机构19之间进行严格的对位，能够容易地进行组装作业。
46.另外，超声波共振体16的第1增强器14经由支承部24而被滚动轴承机构18机械地支承，从而即使在加工中向气体轴承机构19提供的气体的提供压力发生变动，超声波共振体16也不会沿轴向移动，能够可靠地防止加工位置的偏移而进行精密的加工。
47.此外，保持于圆筒体22的第1增强器14的支承部24作为对第1增强器14的径向的超
声波振动进行吸收的缓冲部件而发挥功能，从而即使第1增强器14的轴径由于超声波振动而发生变化，该变化也不会传递至圆筒体22，不会对球轴承21和第1固定圆筒部20施加负荷，能够稳定地对圆筒体22进行支承。
48.另外，在对第2增强器15侧进行支承的气体轴承机构19中，压缩气体朝向超声波变幅器13侧喷出，因此在以使第2增强器15侧斜向下或者铅垂向下的方式配置超声波共振体16时，即使加工时的切削水和切削屑朝向下方的气体轴承机构19侧流动，也能够利用压缩气体弹回(吹飞)。因此，不会产生切削水浸入径向气体轴承部30的内部(第2增强器15的外周的气隙)而生锈或者咬入切削屑而产生动作(旋转)不良的情况，耐久性、维护性以及动作的稳定性优异。
49.接着，对超声波共振体的变形例进行说明。
50.在超声波共振体16中，为了进行切断、切削、磨削等加工，在超声波变幅器13上安装有旋转刀12作为加工工具，但在图4所示的变形例的超声波共振体48中，为了进行超声波接合，在超声波变幅器49上安装有圆板状的接合作用部50作为加工工具。这里，超声波变幅器49的轴向长度与在超声波共振体48中产生的超声波振动的波长t(t/2的2倍)相等，接合作用部50的位置与驻波sw的反节点(antinode、an、波腹)的位置对应。由此，在超声波变幅器49沿轴向共振时，接合作用部50能够以与超声波变幅器49相同的振动模式沿轴向(在图4中为横向)振动，从而能够高效地对接合对象物进行接合。
51.以上，参照实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限定于任何上述实施例所记载的结构，也包括在权利要求书所记载的事项的范围内考虑的其他实施例和变形例。此外，本发明也包含将本实施例与其他实施例和变形例所分别包含的结构要素组合而成的方案。
52.例如，在本实施例中，经由作为非接触接头的一例的非接触式磁接头而将旋转驱动源与旋转轴间接地连结，但旋转驱动源只要能够使圆筒体与超声波共振体一起旋转即可，也可以将旋转驱动源与旋转轴直接连结，还可以经由柔性接头而将旋转驱动源与旋转轴连结。
53.产业上的可利用性
54.本发明的超声波共振体的支承构造和超声波振动加工装置能够以简单的结构容易地进行组装和分解，生产率和维护性优异，无论超声波共振体的姿势如何都能够进行稳定的动作，能够防止加工位置的偏移的产生，因此对于精密且高效地进行半导体晶片(硅晶片)等硬脆性材料的切断、切削、磨削、超声波接合等加工是有用的。
55.标号说明
56.10：超声波共振体的支承构造；11：超声波振动加工装置；12：旋转刀；13：超声波变幅器；14：第1增强器；15：第2增强器；16：超声波共振体；17：保持架；18：滚动轴承机构；19：气体轴承机构；20：第1固定圆筒部；21：球轴承；22：圆筒体；23：封闭部；24：支承部；25：扩径部；26：紧固部件；27：台阶端面；29：第2固定圆筒部；30：径向气体轴承部；32：自由端面；33：振动源；36：旋转轴；37：集电环；38：高频振荡器；38a：信号线；39：旋转驱动源；40：输出轴；41：非接触式磁接头；42：驱动侧磁力部；43：从动侧磁力部；44、45：永久磁铁；46：自由端面；48：超声波共振体；49：超声波变幅器；50：接合作用部。