特許 6937132 超音波振動回転切断装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6937132

(24)【登録日】2021年9月1日

(45)【発行日】2021年9月22日

(54)【発明の名称】超音波振動回転切断装置

(51)【国際特許分類】

   B28D 1/24 20060101AFI20210909BHJP

   B28D 5/02 20060101ALI20210909BHJP

   H01L 21/301 20060101ALI20210909BHJP

   B24B 1/04 20060101ALI20210909BHJP

   B24B 27/06 20060101ALI20210909BHJP

【ＦＩ】

   B28D1/24

   B28D5/02 A

   H01L21/78 F

   B24B1/04 C

   B24B27/06 M

【請求項の数】5

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2017-22975(P2017-22975)

(22)【出願日】2017年2月10日

(65)【公開番号】特開2018-126967(P2018-126967A)

(43)【公開日】2018年8月16日

【審査請求日】2020年1月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】000143455

【氏名又は名称】株式会社高田工業所

(74)【代理人】

【識別番号】100090697

【弁理士】

【氏名又は名称】中前 富士男

(74)【代理人】

【識別番号】100176142

【弁理士】

【氏名又は名称】清井 洋平

(74)【代理人】

【識別番号】100127155

【弁理士】

【氏名又は名称】来田 義弘

(72)【発明者】

【氏名】四元 敬一

(72)【発明者】

【氏名】松山 裕宣

【審査官】 永井 友子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−２１０９２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０２５６６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５５−１３１４６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１０８４７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２８Ｄ １／２４

Ｂ２８Ｄ ５／０２

Ｈ０１Ｌ ２１／３０１

Ｂ２４Ｂ １／０４

Ｂ２４Ｂ ２７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転刃を取付ける円盤状の超音波ホーンの両側にそれぞれ第１、第２のブースターが同軸かつ解除可能に連結された超音波共振体を回転支持手段を用いて回転可能かつ水平に両持ち支持し、前記超音波ホーンの前記回転刃の取付け位置が第１のノードとなる超音波振動の定在波が存在する前記超音波共振体を回転させて、半径方向に超音波振動を行いながら回転する前記回転刃で切断を行なう超音波振動回転切断装置において、
前記第１、第２のブースターの外径を超音波振動の縦波波長の１／４以下にして、前記超音波共振体内に安定した超音波振動の定在波を形成することを可能とし、かつ前記回転刃に加わる反力が大きくなっても、前記超音波共振体が振れる現象の発生を防止し、
前記回転支持手段は、前記超音波共振体の第１、第２のブースターのそれぞれを同心上に内部に固定し、該超音波共振体と共に回転する第１、第２の回転内殻と、
フレームに取付けられて、前記第１、第２の回転内殻をそれぞれ内部に収容し、第１、第２の気体軸受機構を介して回転可能に支持する第１、第２の固定外殻とを備え、
しかも、前記第１、第２の気体軸受機構はそれぞれラジアル軸受部を、前記第１の気体軸受機構はスラスト軸受部を有し、
前記第１、第２のブースターは前記第１のノードの両隣にある第２、第３のノード位置にそれぞれ幅中心を合わせて設けられ径方向の振動を吸収する第１、第２の緩衝部材を有し、該第１、第２の緩衝部材の半径方向外側がそれぞれ前記第１、第２の回転内殻の内側の拡径部の奥位置に該拡径部に螺合する締結用円筒で固定されて、前記超音波共振体が前記第１、第２の回転内殻に固定され、
更に、前記第１の回転内殻の端部に、前記超音波共振体を回転させる回転駆動源が、異なる磁極が非接触で対向して配置される非接触式磁気継手を介して連結されていることを特徴とする超音波振動回転切断装置。

【請求項2】

請求項１記載の超音波振動回転切断装置において、前記超音波共振体の長さは、前記超音波振動の波長の１．５倍であることを特徴とする超音波振動回転切断装置。

【請求項3】

請求項１又は２記載の超音波振動回転切断装置において、前記第１、第２の回転内殻の外径又は長さを大きくすることで、前記第１、第２の固定外殻に設けられる前記第１、第２の気体軸受機構の軸受剛性を調整することを特徴とする超音波振動回転切断装置。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波振動回転切断装置において、前記第１のブースターの自由端面に振動源が取付けられており、前記第１の回転内殻の回転軸方向の長さが前記第２の回転内殻の回転軸方向の長さより長く、前記第１の回転内殻には中空回転軸部材が取付けられ、該中空回転軸部材にはスリップリングと前記非接触式磁気継手の従動側磁力部が取付けられていることを特徴とする超音波振動回転切断装置。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波振動回転切断装置において、前記第２の固定外殻を回転軸方向にスライド可能に前記フレームに取付けたことを特徴とする超音波振動回転切断装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体ウエハー等の硬脆性材料のダイシングに用いる超音波振動回転切断装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造工程では、例えば、半導体ウエハーを効率よく切断するために、環状の薄い回転刃が取付けられた円盤状の超音波ホーンと、超音波ホーンに超音波振動を伝えるブースターとを備えた超音波共振体を高速回転させ、半径方向に超音波振動する回転刃で切断を行なう超音波振動回転切断装置（超音波振動切断装置ともいう）が用いられている。
このとき、薄い回転刃をより高速で回転（例えば、３００００〜４００００ｒｐｍ）させて、回転刃のコンプライアンスを低くし回転刃を保護すると共に切断品質を向上させ、また、超音波振動の系外への伝播による超音波共振体の回転支持機構に対する影響を少なくするため、回転支持機構の軸受には、例えば、空気軸受が使用されてきている(例えば、特許文献１参照）。

【0003】

一般に、空気軸受では、回転軸と空気軸受との間に空気層を形成するための隙間が存在している。このため、半導体ウエハー（被切断物の一例）を高速切断する場合、切断開始時（回転刃が半導体ウエハーに切り込む瞬間）には回転刃に半導体ウエハーから大きな切断反力が加わるため、回転刃の回転軸が傾き易いという問題がある。このため、特許文献１の超音波振動切断装置のように、基台部（超音波ホーン）の片側にスピンドル及びロータを同軸で直列に連結した構成の超音波共振体をラジアルエアベアリング（空気軸受）を用いて支持する構成では、切断ブレード（回転刃）の交換の利便性は向上されるが、超音波共振体がラジアルエアベアリングで片持ち支持されることになって、切断ブレードに半導体ウエハーから大きな切断反力が加わると超音波共振体の回転軸の傾きが顕著となり易い。このため、超音波共振体が静圧空気軸受で片持ち支持される場合、切断位置のずれ、回転刃の欠け、回転刃の刃先の偏摩耗等の発生により、切断品質に異常が起こり易いという問題が生じる。

【0004】

なお、特許文献２に開示された流体静圧軸受超音波振動主軸の構造を援用すると、即ち、超音波共振体を主軸筒内に同心状に固定して主軸筒を空気軸受で支持すると、空気の受圧面積を大きくすることができ、主軸筒（超音波共振体）に対する支持力の向上が可能になると考えられる。しかし、半導体ウエハーの高速切断時に受ける大きな切断反力に対して回転軸の傾きを確実に防止しようとすると、従来の超音波振動切断装置の超音波共振体の外径に比べて主軸筒の外径を非常に大きくする必要があり、超音波振動切断装置が大型化するという問題がある。

【0005】

そこで、半導体ウエハーからの切断反力が回転刃に加わっても回転軸に傾きが生じないように、例えば、特許文献３に開示されている超音波ロータリーエアースピンドル加工機のように、回転刃が取付けられる円盤状の超音波ホーンの両側に同軸で円柱状のブースターを取付けた構成の超音波共振体を空気軸受で両側から（両持ち）支持する構成が望ましい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００６−３１８９８１号公報

【特許文献2】特開２００６−２４７８０８号公報

【特許文献3】特開昭６０−１２７９６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

近年、半導体電子基板や半導体ウエハーの材料として、シリコンに代わっていわゆる難切材と呼ばれるＳｉＣやサファイア等の硬脆性材料が用いられるようになってきた。そして、硬脆性材料の電子基板やウエハー（以下、硬脆性ウエハーという）の切断時に回転刃が硬脆性ウエハーから受ける切断反力は、従来のシリコンウエハーの切断時に受ける切断反力より大きくなっている。このため、硬脆性ウエハーの切断を行なう場合、空気軸受を使用した従来の回転支持機構では超音波共振体の支持力が不足し、超音波共振体と空気軸受の間隔が不安定となり、超音波共振体が振れる等の現象が発生している。即ち、超音波ホーンに取付けられた環状の回転刃が揺れて、硬脆性ウエハー切断部でチッピングという欠けが発生したり、切断溝幅が大きくなったり、切断品質に異常が発生したりしている。

【0008】

切断反力に対する空気軸受の支持力（又は軸受剛性）を向上するためには、空気軸受の供給空気圧を大きくするか、若しくは回転軸となる超音波共振体を長くしたり、超音波共振体を太くして空気軸受から受ける空気の受圧面積を大きくすることが考えられる。
しかしながら、一般的に半導体工場等で使用される駆動用空気の圧力は０．５ＭＰａ程度の一定圧力であり、空気軸受に供給する空気圧を大きくするには、昇圧のための機器を新たに設置する必要があり、設備コストのアップになると共にランニングコストのアップにもなるという問題がある。

【0009】

空気軸受の支持力を向上するために超音波共振体を長くしようとすると、超音波共振体内に超音波振動の定在波を安定的に維持するためには、超音波共振体の長さを使用する超音波の半波長の整数倍で長くする必要がある。このため、超音波の効率が低下する（超音波の振幅が減衰する）と共に、装置をコンパクトにできなという問題がある。

【0010】

一方、空気軸受の支持力を向上するために超音波共振体の軸径を大きくしようとすると、超音波共振体内に安定した超音波振動の定在波を生成するために、例えば、特許文献３の超音波ロータリーエアースピンドル加工機の超音波ホーンのようにステップ状の段付きホーンでは、設計に際して、ホーンの太端面径は寄生振動の影響を受けないように、使用する超音波の縦波波長の１／４以下にするのが好ましく、超音波共振体のブースターの外径を縦波波長の１／４以下にしなければならないという制約を満足させる必要がある。このため、空気軸受の支持力を向上させるための超音波共振体の軸径と、超音波振動の定在波を安定して存在させるための超音波共振体の軸径を整合させることは困難であるという問題がある。

【0011】

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、取付けた回転刃を半径方向に超音波振動させながら回転させる超音波共振体を回転可能に支持する気体軸受機構を備えた回転支持手段の支持力を向上させて、安定した切断品質で硬脆性材料の切断が可能な超音波振動回転切断装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

前記目的に沿う本発明に係る超音波振動回転切断装置は、回転刃を取付ける円盤状の超音波ホーンの両側にそれぞれ第１、第２のブースターが同軸かつ解除可能に連結された超音波共振体を回転支持手段を用いて回転可能かつ水平に両持ち支持し、前記超音波ホーンの前記回転刃の取付け位置が第１のノードとなる超音波振動の定在波が存在する前記超音波共振体を回転させて、半径方向に超音波振動を行いながら回転する前記回転刃で切断を行なう超音波振動回転切断装置において、
前記第１、第２のブースターの外径を超音波振動の縦波波長の１／４以下にして、前記超音波共振体内に安定した超音波振動の定在波を形成することを可能とし、かつ前記回転刃に加わる反力が大きくなっても、前記超音波共振体が振れる現象の発生を防止し、
前記回転支持手段は、前記超音波共振体の第１、第２のブースターのそれぞれを同心上に内部に固定し、該超音波共振体と共に回転する第１、第２の回転内殻と、
フレームに取付けられて、前記第１、第２の回転内殻をそれぞれ内部に収容し、第１、第２の気体軸受機構を介して回転可能に支持する第１、第２の固定外殻とを備え、
しかも、前記第１、第２の気体軸受機構はそれぞれラジアル軸受部を、前記第１の気体軸受機構はスラスト軸受部を有し、
前記第１、第２のブースターは前記第１のノードの両隣にある第２、第３のノード位置にそれぞれ幅中心を合わせて設けられ径方向の振動を吸収する第１、第２の緩衝部材を有し、該第１、第２の緩衝部材の半径方向外側がそれぞれ前記第１、第２の回転内殻の内側の拡径部の奥位置に該拡径部に螺合する締結用円筒で固定されて、前記超音波共振体が前記第１、第２の回転内殻に固定され、
更に、前記第１の回転内殻の端部に、前記超音波共振体を回転させる回転駆動源が、異なる磁極が非接触で対向して配置される非接触式磁気継手を介して連結されている。

【0013】

本発明に係る超音波振動回転切断装置において、前記第１、第２のブースターのいずれか一方の自由端面には前記超音波振動の振動源が取付けられていることが好ましい。ここで、振動源としては、電歪振動子、磁歪振動子が考えられる。
これによって、超音波共振体が回転しても、超音波共振体に超音波振動を効率的に供給することができる。
また、第１のブースターと第２のブースターを異なる材質にすると、各ブースター内を伝わる超音波の波長が変わるので、安定した定在波を得るために第１のブースターと第２のブースターの回転軸方向の長さや外径を変える場合であっても、第１、第２の回転内殻の外径や長さ及び第１、第２の固定外殻の長さや径を変えることができ、超音波共振体の安定した定在波の条件を維持したまま切断時における第１のブースターと第２のブースターの変位量を同一にできる（即ち、第１、第２の固定外殻に設けられた第１、第２の気体軸受機構の軸受剛性を同一にできる）。これにより、回転刃が切断時に被切断物から反力を受けても回転刃が傾き難く、回転刃が傾いたまま切断されることがなくなり、回転刃の刃先の偏摩耗を防止することができる。

【0014】

本発明に係る超音波振動回転切断装置において、前記第１のブースターの前記自由端面に前記振動源が取付けられ、前記第１のブースターを固定する前記第１の回転内殻の前記振動源側の端部に前記超音波共振体を回転させる回転駆動源がフレキシブル継手又は非接触継手を介して連結されている構成とすることができる。
このような構成とすることにより、超音波ホーンと第２のブースターとの連結を解除すると、超音波ホーンから第２のブースターと第２の回転内殻を一体として分離することができる。これにより、超音波ホーンを第１のブースターから分離することができ、回転刃の交換を行なうことが可能になる。また、第２の固定外殻を回転軸方向にスライド可能にフレームに取付ける構成とすれば、第２のブースターと第２の回転内殻並びに第２の固定外殻を一体として超音波ホーンから分離できるので、第１の回転内殻と同様に第２の回転内殻にスラスト軸受部を設けることも可能となる。
更に、第１の回転内殻の振動源側の端部に回転駆動源がフレキシブル継手又は非接触継手を介して連結されているので、切断時に超音波共振体の回転軸の軸心位置が、回転駆動源の回転軸の軸心位置とずれることがあっても、互いに干渉することなくスムーズな回転状態を維持することができる。

【0015】

本発明に係る超音波振動回転切断装置において、前記第２のブースターの前記自由端面に前記振動源が取付けられ、前記第１のブースターを固定する前記第１の回転内殻の該第１のブースターの自由端面側の端部に前記超音波共振体を回転させる回転駆動源がフレキシブル継手又は非接触継手を介して連結されている構成とすることもできる。
このような構成とすることにより、超音波ホーンと第１のブースターとの連結を解除すると、超音波ホーンから第１のブースターと第１の回転内殻を一体として分離することができる。これにより、超音波ホーンを第２のブースターから分離することができ、回転刃の交換を行なうことが可能になる。
更に、第１の回転内殻の第１のブースターの自由端面側の端部に回転駆動源がフレキシブル継手又は非接触継手を介して連結されているので、切断時に超音波共振体の回転軸の軸心位置が、回転駆動源の回転軸の軸心位置とずれることがあっても、互いに干渉することなくスムーズな回転状態を維持することができる。

【0016】

本発明に係る超音波振動回転切断装置において、前記超音波共振体の長さは、前記超音波振動の縦波波長の１．５倍であって、前記超音波共振体には前記定在波のノードが三つ存在することが好ましい。即ち、前記第１、第２のブースター及び前記超音波ホーンを組み合わせた回転軸方向の全長には前記定在波のノードが三つ存在し、前記第１、第２のブースター及び前記超音波ホーンを組み合わせた回転軸方向の全長は、使用する超音波の縦波波長の１．５倍となっていることが好ましい。
最小長さの超音波共振体を構成するので、超音波振動の減衰が少なくなって、定在波を効率的に形成することができると共に、コンパクトな超音波振動回転切断装置を作製することができる。

【0017】

そして、第１の回転内殻内には第１のブースターが、第１のブースターに設けられて径方向の振動を吸収する第１の緩衝部材を介して固定されているのが好ましい。また、第２の回転内殻内には第２のブースターが、第２のブースターに設けられて径方向の振動を吸収する第２の緩衝部材を介して固定されているのが好ましい。第１、第２のブースターがそれぞれ、第１、第２の緩衝部材を介して第１、第２の回転内殻に固定されているので、超音波振動により第１、第２のブースターの軸径が変化しても第１、第２の回転内殻に伝達されず、第１、第２の回転内殻の外形は変化しない。その結果、第１、第２の固定外殻に設けられた第１、第２の気体軸受機構の気体層の圧力変動が発生せず、第１、第２の回転内殻を安定して支持することができる。

【0018】

ここで、第１の緩衝部材は、第１のブースターの外周部の定在波のノードに対応する部位に設けられ、第２の緩衝部材は、第２のブースターの外周部の定在波のノードに対応する部位に設けられていることが好ましい。これにより、定在波の減衰を少なくすることができ、超音波共振体内に発生する定在波を効率的に利用して回転刃を半径方向に超音波振動させることができると共に、超音波振動の超音波共振体外への伝播による回転支持手段への悪影響を少なくすることができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明に係る超音波振動回転切断装置は、超音波共振体の両側がそれぞれ内蔵されて固定された第１、第２の回転内殻を、第１、第２の気体軸受機構を備えた第１、第２の固定外殻により回転可能にそれぞれ支持するので、超音波共振体の両側がそれぞれ第１、第２の回転内殻に内蔵されて固定されるという条件が満たされれば、超音波共振体の第１、第２のブースターの外径と、第１、第２の回転内殻の外径及び回転軸方向の長さはそれぞれ独立に決めることができる。

【0020】

超音波共振体の第１、第２のブースターの外径を、超音波振動の縦波波長の１／４以下にして、超音波共振体内に安定した超音波振動の定在波を形成することが可能になると共に、回転刃に加わる反力が大きくなっても、超音波共振体が振れる等の現象の発生が防止できるように第１、第２の回転内殻の外径及び回転軸方向の長さを大きくして、第１、第２の気体軸受機構をそれぞれ備えた第１、第２の固定外殻により第１、第２の回転内殻を安定して支持する（第１、第２の気体軸受機構の支持力（軸受剛性）を向上する）ことができ、回転刃を安定して保持することが可能になる。その結果、例えば、硬脆性ウエハーの切削において安定した切断品質を得ることが可能になると共に、回転刃の寿命延長及び破損防止を図ることも可能になる。
また、第１のブースターと第２のブースターを異なる材質にすると、各ブースター内を伝わる超音波の波長が変わるので、安定した定在波を得るために第１のブースターと第２のブースターの回転軸方向の長さや外径を変える場合や、片方のブースターの自由端面に振動源を取付ける場合に、超音波ホーンを中心として超音波共振体の両側で重さにアンバランスが発生する。このようなときでも超音波共振体の安定した定在波の条件を維持したまま第１、第２の回転内殻の外径や長さ及びそれに合わせて第１、第２の固定外殻の長さや径を変えることができるので、第１、第２の固定外殻に設けられた第１、第２の気体軸受機構の軸受剛性を同一にすることで切断時における第１のブースターと第２のブースターの変位量を同一にできる。
これにより、回転刃が切断時に被切断物から反力を受けても、超音波共振体が振れたり、傾いたりせずに切断できるので、切断品質が向上できる。

【0021】

第１、第２の気体軸受機構をそれぞれ備えた第１、第２の固定外殻により第１、第２の回転内殻が支持されているので、第１、第２の回転内殻の支持に必要であった転がり軸受が不要になり、メンテナンスの負担を軽減することが可能になる。
また、第１、第２のブースターのいずれか一方の自由端面に超音波振動の振動源を取付ける場合、使用する超音波の振動数に基づいて超音波共振体の長さ（超音波ホーンと第１、第２のブースターの長さ）を調節することにより、定在波を容易に存在させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の一実施の形態に係る超音波振動回転切断装置の要部の概略説明図である。

【図2】同超音波振動回転切断装置の超音波共振体内に発生した定在波の状態を示す説明図である。

【図3】(Ａ)は図１のＰ−Ｐ矢視図であって、非接触式磁気継手の駆動側磁力部を示し、（Ｂ）は図１のＱ−Ｑ矢視図であって、非接触式磁気継手の従動側磁力部を示す。

【発明を実施するための形態】

【0023】

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る超音波振動回転切断装置１０は、半径方向に超音波振動を行いながら回転する回転刃１１で，例えば、ＳｉＣウエハー等の硬脆性ウエハー（図示せず、被切断物である硬脆性材料の一例）の切断を行なう装置である。以下、詳細に説明する。

【0024】

回転刃１１が取付けられる円盤状の超音波ホーン１２の両側に、例えば、超音波ホーン１２の一方側には円柱状の第１のブースター１３が、他方側には円柱状の第２のブースター１４がそれぞれ同軸に連結されて超音波共振体１５が構成され、超音波共振体１５の両側は回転支持手段１６を用いて回転可能に両持ち支持されている。そして、超音波共振体１５を回転させることにより、回転刃１１を回転させている。また、回転刃１１を半径方向に超音波振動させるためには、図２に示すように、超音波ホーン１２の回転刃１１の取付け位置がノードＮｏｄｅとなる超音波振動の定在波ＳＷを超音波共振体１５内に存在させている。

【0025】

回転支持手段１６は、超音波共振体１５の第１、第２のブースター１３、１４のそれぞれを同心状に内部に固定し、超音波共振体１５と共に回転する第１、第２の回転内殻１７、１８と、超音波振動回転切断装置１０のフレーム１９に取付けられて、第１、第２の回転内殻１７、１８をそれぞれ内部に収容し、第１、第２の気体軸受機構２０、２１を介して回転可能に支持する第１、第２の固定外殻２２、２３とを有している。

【0026】

第１のブースター１３は、第１のブースター１３に設けられて第１のブースター１３の径方向の超音波振動を吸収する第１の緩衝部材２４を介して第１の回転内殻１７に同心状に固定されている。また、第２のブースター１４は、第２のブースター１４に設けられて第２のブースター１４の径方向の超音波振動を吸収する第２の緩衝部材２５を介して第２の回転内殻１８に同心状に固定されている。

【0027】

ここで、第１、第２の緩衝部材２４、２５はそれぞれ、第１、第２のブースター１３、１４の外周部の定在波ＳＷのノードＮｏｄｅに対応する部位に、半径方向外側に向けて突出して設けられた鍔状部材であって、第１、第２のブースター１３、１４と一体で構成されている。なお、第１、第２の緩衝部材を半径方向に沿って伸縮可能な部材、例えば、蛇腹
状部材とすることもできる。

【0028】

図１に示すように、第１、第２のブースター１３、１４のいずれか一方、例えば、第１のブースター１３の自由端面２６には超音波振動の振動源２７（例えば、電歪振動子）が取付けられている。このため、図２に示すように、第１のブースター１３の自由端面２６は定在波ＳＷのアンチノードＡＮとなる。また、超音波共振体１５内に存在する定在波ＳＷにより回転刃１１に半径方向の超音波振動を効率的に発生させるために、超音波ホーン１２の回転刃１１の取付け位置が定在波ＳＷのノードＮｏｄｅとなる必要がある。更に、第１、第２のブースター１３、１４にはそれぞれ、第１、第２の緩衝部材２４、２５を設けるためにノードＮｏｄｅが一つ存在する必要がある。

【0029】

従って、超音波共振体１５の第１のブースター１３の自由端面２６から超音波振動を供給して、超音波共振体１５内に供給した超音波振動の定在波ＳＷが存在するためには、超音波共振体１５の長さは最短でも超音波振動の波長の１．５倍とする必要がある。そして、超音波共振体１５の長さを超音波振動の波長の１．５倍とすることにより、超音波共振体１５内での超音波振動の減衰を少なくして、定在波ＳＷを効率的に形成することができると共に、コンパクトな超音波振動回転切断装置を作製することができる。
なお、超音波共振体１５の長さが超音波振動の波長の１．５倍である場合、超音波共振体１５の第２のブースター１４の自由端面２８はアンチノードＡＮとなる。

【0030】

第１の回転内殻１７は、自由端面２６に振動源２７が取付けられた第１のブースター１３を収容可能な有底の円筒体形状であって、第１の回転内殻１７の開口側には、第１のブースター１３に設けた第１の緩衝部材２４の嵌入が可能な拡径部２９が形成され、第１の緩衝部材２４を拡径部２９に嵌入することにより、第１のブースター１３を第１の回転内殻１７内に同心状に収容することができる。そして、拡径部２９に嵌入された第１の緩衝部材２４は拡径部２９の底部３０に掛止されるため、第１の緩衝部材２４を拡径部２９に嵌入した後に拡径部２９の内周面側と螺合可能な締結用円筒３１を拡径部２９に挿入して第１の緩衝部材２４を拡径部２９の底部３０に押圧することにより、第１のブースター１３を第１の回転内殻１７内に固定することができる。

【0031】

第２の回転内殻１８は、第２のブースター１４を収容可能な円筒体形状であって、第２の回転内殻１８の一方側（第２の回転内殻１８内に第２のブースター１４を同心状に固定した際、超音波ホーン１２に対向する側）には、第２のブースター１４に設けた第２の緩衝部材２５の嵌入が可能な拡径部３２が形成され、第２の緩衝部材２５を拡径部３２に嵌入することにより、第２のブースター１４を第２の回転内殻１８内に同心状に収容することができる。そして、拡径部３２に嵌入された第２の緩衝部材２５は拡径部３２の底部３３に掛止されるため、第２の緩衝部材２５を拡径部３２に嵌入した後に拡径部３２の内周面側と螺合可能な締結用円筒３４を拡径部３２に挿入して第２の緩衝部材２５を拡径部３２の底部３３に押圧することにより、第２のブースター１４を第２の回転内殻１８内に固定することができる。

【0032】

第１の回転内殻１７の円形底板部３５の中央部には、中空回転軸部材３６の回転軸が第１の回転内殻１７（超音波共振体１５）の回転軸と同軸となるように、かつ、第１の回転内殻１７と中空回転軸部材３６が連通状態となるように連結されている。中空回転軸部材３６の長手方向の中間位置にはスリップリング３７が設けられ、スリップリング３７を介して高周波発振器３８からの駆動用信号が第１のブースター１３の自由端面２６に取付けられた振動源２７に入力される構成となっている。なお、符号３８ａは、スリップリング３７を介して受入れた駆動用信号を振動源２７に入力する信号線である。

【0033】

更に、中空回転軸部材３６の自由端には、第１、第２の回転内殻１７、１８と共に超音波共振体１５（第２のブースター１４、超音波ホーン１２、及び第１のブースター１３の直列連結体）を回転させる回転駆動源３９（例えば、電動機）の回転軸４０が非接触継手の一例である非接触式磁気継手４１を介して連結されている。これにより、第１のブースター１３を固定する第１の回転内殻１７の振動源側の端部、即ち、円形底板部３５に超音波共振体１５を回転させる回転駆動源３９からの回転動力を非接触式磁気継手４１を介して伝達することができる。

【0034】

ここで、非接触式磁気継手４１は、例えば、図１に示すように、回転駆動源３９の回転軸４０に取付けられる駆動側磁力部４２と、中空回転軸部材３６の自由端に駆動側磁力部４２と対向するように取付けられる従動側磁力部４３とを備えている。そして、駆動側磁力部４２と従動側磁力部４３には、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、同数（ここでは４個）の永久磁石４４、４５が、互いに異なる磁極面同士が対向するように配置されている。これにより、駆動側磁力部４２と従動側磁力部４３の対向する磁石間に発生する引力を介して駆動側磁力部４２と従動側磁力部４３が非接触で連結することになって、回転駆動源３９の回転力が第１の回転内殻１７に伝達され、超音波ホーン１２、第１のブースター１３、第２のブースター１４の直列連結体である超音波共振体１５が回転する。

【0035】

図１に示すように、第１の気体軸受機構２０は、第１の回転内殻１７を第１の回転内殻１７の径方向に沿って支持するラジアル軸受部４６と、第１の回転内殻１７を第１の回転内殻１７の回転軸方向に沿って支持するスラスト軸受部４７とを有している。一方、第２の気体軸受機構２１は、第２の回転内殻１８を第２の回転内殻１８の径方向に沿って支持するラジアル軸受部４８を有している。ここで、第２の回転内殻にもスラスト軸受を設けてもよい。

【0036】

超音波ホーン１２、第１、第２のブースター１３、１４は、超音波の伝搬性を同一にするために、同一材質で作製することが好ましく、第１のブースター１３と第２のブースター１４の長さが等しいと、超音波ホーン１２の両側で第１のブースター１３と第２のブースター１４の質量は等しくなる。しかしながら、第１のブースター１３の自由端面２６に振動源２７が取付けられているため、第１の回転内殻１７の回転軸方向の長さが第２の回転内殻１８の回転軸方向の長さより長く、第１の回転内殻１７には中空回転軸部材３６が取付けられ、中空回転軸部材３６にはスリップリング３７と従動側磁力部４３が取付けられているので、超音波ホーン１２を中心として回転軸方向の一方側と他方側の質量は異なる。このため、第１、第２の回転内殻１７、１８の長さや径を変えて、超音波ホーン１２の一方側と他方側の質量をバランスさせる。

【0037】

第１、第２の回転内殻１７、１８の重さを変えることで、超音波共振体１５の安定した定在波ＳＷの条件を維持したまま切断時における第１のブースター１３と第２のブースター１４の変位量を同一にできる（即ち、第１、第２の固定外殻１７、１８に設けられた第１、第２の気体軸受機構２０、２１の軸受剛性を同一にできる）。これにより、超音波ホーン１２に取付けられた回転刃１１が切断時に硬脆性ウエハーから反力を受けたとしても、第１、第２の回転内殻１７、１８と共に超音波共振体１５が並進移動（径方向に移動）するため回転刃１１が傾くことがなく（回転刃１１が傾いたまま切断されることがなく）、回転刃１１の刃先の偏摩耗を防止することができる。

【0038】

続いて、本発明の一実施の形態に係る超音波振動回転切断装置１０の作用について説明する。
図１に示すように、超音波振動回転切断装置１０は、超音波共振体１５の両側、即ち、第１、第２のブースター１３、１４がそれぞれ内蔵されて固定された第１、第２の回転内殻１７、１８を、第１、第２の気体軸受機構２０、２１を備えた第１、第２の固定外殻２２、２３により回転可能にそれぞれ支持するので、超音波共振体１５の両側がそれぞれ第１、第２の回転内殻１７、１８に内蔵されて固定されるという条件が満たされれば、超音波共振体１５の第１、第２のブースター１７、１８の外径と、第１、第２の回転内殻１７、１８の外径及び回転軸方向の長さはそれぞれ独立に決めることができる。

【0039】

このため、超音波共振体１５の第１、第２のブースター１７、１８の外径を、超音波振動の縦波波長の１／４以下にして、超音波共振体１５内に安定した超音波振動の定在波ＳＷを形成することが可能になると共に、回転刃１１に加わる反力が大きくなっても、超音波共振体１５が振れる等の現象の発生が防止できるように第１、第２の回転内殻１７、１８の外径及び回転軸方向の長さを大きくして、第１、第２の気体軸受機構２０、２１をそれぞれ備えた第１、第２の固定外殻２２、２３により第１、第２の回転内殻１７、１８を安定して支持する（第１、第２の気体軸受機構２１の支持力（軸受剛性）を向上する）ことができ、回転刃１１を安定して保持することが可能になる。その結果、例えば、ＳｉＣやサファイア等の硬脆性材料の切削において安定した切断品質を得ることが可能になると共に、回転刃１１の寿命延長及び破損防止を図ることも可能になる。

【0040】

そして、第１、第２のブースター１３、１４がそれぞれ、第１、第２の緩衝部材２４、２５を介して第１、第２の回転内殻１７、１８に固定されているので、超音波振動による第１、第２のブースター１３、１４の軸径が変化しても第１、第２の回転内殻１７、１８に伝達されず、第１、第２の回転内殻１７、１８の外形は変化しない。これにより、第１、第２の固定外殻２２、２３に設けられた第１、第２の気体軸受機構２０、２１の気体層の圧力変動が発生せず（超音波振動の超音波共振体１５外への伝播による回転支持手段１６への悪影響を少なくすることができ）、第１、第２の回転内殻１７、１８を安定して支持することができる。

【0041】

なお、第１の緩衝部材２４は、第１のブースター１３の外周部の定在波ＳＷのノードＮｏｄｅに対応する部位に、第２の緩衝部材２５は、第２のブースター１４の外周部の定在波ＳＷのノードＮｏｄｅに対応する部位にそれぞれ設けられているので、定在波ＳＷの減衰を少なくすることができ、超音波共振体１５内に発生する定在波ＳＷを効率的に利用して回転刃１１を半径方向に超音波振動させることができる。

【0042】

第１、第２の気体軸受機構２０、２１をそれぞれ備えた第１、第２の固定外殻２２、２３により第１、第２の回転内殻１７、１８が支持されているので、第１、第２の回転内殻１７、１８の支持に必要であった転がり軸受が不要になり、メンテナンスの負担を軽減することが可能になる。

【0043】

超音波共振体１５の第１のブースター１３の自由端面２６に超音波振動の振動源２７を取付けるので、使用する超音波の振動数に基づいて超音波共振体１５の長さ（超音波ホーン１２の厚さと第１、第２のブースター１３、１４の長さの和）を調節することにより、定在波ＳＷを容易に存在させることができる。
第１のブースター１３を固定する第１の回転内殻１７の振動源２７側の端部に超音波共振体１５を回転させる回転駆動源３９が非接触式磁気継手４１を介して連結されているので、切断時に超音波共振体１５の回転軸の軸心位置が、回転駆動源３９の回転軸４０の軸心位置とずれることがあっても、互いに干渉することなくスムーズな回転状態を維持することができる。

【0044】

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
更に、本実施の形態とその他の実施の形態や変形例にそれぞれ含まれる構成要素を組合わせたものも、本発明に含まれる。
例えば、本実施の形態では、超音波共振体を非接触継手の一例である非接触式磁気継手を介して回転駆動源と連結したが、超音波共振体をフレキシブル継手を介して回転駆動源と連結することもできる。
また、第２のブースターの自由端面に振動源を取付け、第２のブースターを固定する第２の回転内殻の振動源側の端部に超音波共振体を回転させる回転駆動源がフレキシブル継手又は非接触継手を介して連結される構成とすることもできる。

【符号の説明】

【0045】

１０：超音波振動回転切断装置、１１：回転刃、１２：超音波ホーン、１３：第１のブースター、１４：第２のブースター、１５：超音波共振体、１６：回転支持手段、１７：第１の回転内殻、１８：第２の回転内殻、１９：フレーム、２０：第１の気体軸受機構、２１：第２の気体軸受機構、２２：第１の固定外殻、２３：第２の固定外殻、２４：第１の緩衝部材、２５：第２の緩衝部材、２６：自由端面、２７：振動源、２８：自由端面、２９：拡径部、３０：底部、３１：締結用円筒、３２：拡径部、３３：底部、３４：締結用円筒、３５：円形底板部、３６：中空回転軸部材、３７：スリップリング、３８：高周波発振器、３８ａ：信号線、３９：回転駆動源、４０：回転軸、４１：非接触式磁気継手、４２：駆動側磁力部、４３：従動側磁力部、４４、４５：永久磁石、４６：ラジアル軸受部、４７：スラスト軸受部、４８：ラジアル軸受部

【図1】

【図2】

【図3】