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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Präzisionsbearbeitungsvorrichtung
und ein Präzisionsbearbeitungsverfahren,
die zum Bearbeiten eines Objekts angewendet werden, das bearbeitet
werden muss, so dass eine hohe Form-/Abmessungsgenauigkeit und Ebenheit
einer endbearbeiteten Oberfläche
vorliegt, z. B. Siliziumwafer oder ein Magnetplattensubstrat. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung eine Präzisionsbearbeitungsmaschine
und ein Präzisionsbearbeitungsverfahren,
die in der Lage sind, einen Schleifvorgang mit Genauigkeit auszuführen, indem
eine Schaltsteuerung an einer Vorrichtung zum Drehen einer Schleifscheibe
gemäß Schleifstufen
durch den Betrag aus Bewegung und einem schrittweise geänderten
konstanten Druck durchgeführt
wird.
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Technischer Hintergrund
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Die
Forderung, Energieverluste bei der nächsten Generation von Leistungsgeräten bei gleichzeitiger
Reduktion der Abmessungen der Vorrichtungen zu verringern, ist in
letzter Zeit immer deutlicher geworden. Ein Beispiel für eine solche
Forderung beinhaltet die Forderung, die Anzahl von Lagen in einer
Halbleiter-Mehrlagenstruktur für
Elektronikzwecke zu erhöhen
und die Packungsdichte von Halbleitervorrichtungen zu vergrößern. Beispiele
für Verfahren,
die als Maßnahmen
geeignet sein könnten,
eine solche Forderung zu erfüllen,
beinhalten ein Verfahren zum Reduzieren der Dicke von durch einen
Si-Wafer verkörperten
Halbleiter-Wafern auf einen extrem geringen Wert, ein Bearbeitungsverfahren,
das eine Verschiebung und Belastung des Kristallgitters in einer
bearbeiteten Oberfläche
und in einem unter einer bearbeiteten Oberfläche liegenden Bereich verhindert,
und ein Bearbeitungsverfahren, das die Oberflächenrauheit (Ra) auf einen
Wert in einem Bereich von der Subnanometer-(nm)-Ebene zur Nanometer-(nm)-Ebene reduziert
und die Ebenheit einer bearbeiteten Oberfläche auf einen Wert in einem
Bereich von der Submikrometer-(μm)-Ebene
zur Mikrometer-(μm)-Ebene
oder einem niedrigeren Bereich reduziert.
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In
der Kraftfahrzeugindustrie stellt ein Bipolartransistor mit isolierter
Gateelektrode (IGBT), bei dem es sich um ein in Kraftfahrzeugen
eingesetztes Leistungsgerät
handelt, ein wesentliches System in Invertersystemen dar. Mit weiteren
Verbesserungen bezüglich
der Absatzfähigkeit
von Hybridfahrzeugen, die durch Verbessern des Leistungsverhaltens
eines Inverters unter Verwendung des IGBT und durch Reduzieren der
Abmessungen des Inverters erreicht werden, ist zu rechnen. Verbessert
wird der Inverter durch eine Reduktion der Dicke des Si-Wafers,
durch den der IGBT ausgebildet wird (z. B. auf 50 bis zu einem extrem
geringen Wert von etwa 150 μm,
vorzugsweise 80 bis 140 μm,
wobei ein Wert von 90 bis 120 μm
noch mehr zu bevorzugen ist), um einen Schaltverlust, stationären Verlust
und Wärmeverlust zu
reduzieren. Auch kann eine Verbesserung des Ertrags in einem Verfahrensschritt
zum Ausbilden von Elektroden auf dem Halbleiter und eine Erhöhung der Anzahl
der Lagen in der Halbleitermehrlagenstruktur durch Ausbilden einer
vollkommenen Oberfläche ohne
Verschiebung und Belastung des Kristallgitters in einer bearbeiteten
Oberfläche
eines kreisförmigen Si-Wafers
mit einem Durchmesser von 200 bis 400 mm oder in einem internen
Bereich in der Nähe
der bearbeiteten Oberfläche
und durch Reduzieren der Oberflächenrauhigkeit
(Ra) auf eine Wert in einem Bereich von der Subnanometerebene zur
Nanometerebene und der Ebenheit auf einen Wert in einem Wert von
der Submikrometerebene zur Mikrometerebene erreicht werden.
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Die
Druckschrift
US-A-3748789 offenbart eine
Schleifmaschine, bei der ein Werkstück auf einem ersten Schlitten
zur Bewegung in Richtung einer Schleifscheibe gelagert wird, die
auf einem zweiten Schlitten gelagert ist, der parallel zu der zu
schleifenden Oberfläche
beweglich ist. Eine Vorschubspindel bewegt die Schleifscheibe über die
zu schleifende Oberfläche
bei einer Zustellgeschwindigkeit. Die Zustellgeschwindigkeit wird
durch ein Steuerungssystem so gesteuert, dass sie bei einer Geschwindigkeit liegt, „die für den momentanen
Schleifwiderstand auf der Schleifscheibe am geeignetsten ist". Durch einen Kolben
wird die Schleifscheibe an ihrer Zustellposition rasch über der
Oberfläche
des Werkstücks
hin- und herbewegt.
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Im
Normalfall ist unter den gegebenen Umständen ein aus mehreren Schritten
bestehendes Verfahren, das einen Vorschleifvorgang unter Verwendung
einer Diamantschleifscheibe, einen Lapp-, Ätz- und einen chemomechanischen
Nasspoliervorgang (Nass-CMP) unter Verwendung einer lose handhabbaren
Schleifmittels beinhaltet, für
das vorstehend beschriebene Halbleiterbearbeitungsverfahren erforderlich.
Es gestaltet sich äußerst schwierig, mit
Hilfe des herkömmlichen
Bearbeitungsverfahren und unter Verwendung derartiger Verfahrensschritte eine
Oberfläche
vollkommener Qualität
zu erhalten, da es dabei zu einer Oxidschicht, einer Verschiebung und
Belastung des Kristallgitters in der bearbeiteten Oberfläche kommt.
Außerdem
ist die Ebenheit eines Wafers, der durch das herkömmliche
Verfahren bearbeitet wird, gering und es kann während der Bearbeitung oder
nach Bildung der Elektrode es zu einem Bruch im Wafer kommen, was
eine verringerte Produktionsausbeute zur Folge hat. Ferner nimmt
bei dem herkömmlichen
Bearbeitungsverfahren der Schwierigkeitsgrad in Bezug auf das Reduzieren
der Waferdicke auf einen extrem geringen Wert bei einem sich auf
200 mm, 300 mm und 400 mm vergrößernden
Waferdurchmesser zu. Es werden derzeit Untersuchungen durchgeführt mit
dem Ziel, die Dicke eines Wafers mit einem Durchmesser von 200 mm auf
die 100 μm-Ebene
zu reduzieren.
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Angesichts
des vorstehend beschriebenen Problems des herkömmlichen Stands der Technik, haben
die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Erfindung offenbart,
die sich auf eine Präzisionsoberflächen-Bearbeitungsmaschine
bezieht, die in der Lage ist, ein Verfahren, das von einer Vorbearbeitung zur
einer Superpräzisionsoberflächenbearbeitung einschließlich einer
hochwirksamen abschließenden Duktilitätsmodusbearbeitung
unter Verwendung einer Diamantschleifscheibe reicht, in konsistenter Weise
auszuführen
(
japanische Patentveröffentlichung
(Kokai) 2000-141207 A ).
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Bei
diesem Schleifvorgang unter Verwendung einer Diamantschleifscheibe
sind drei wesentliche Vorgänge
von Bedeutung: Drehen der Schleifscheibe, Zustellung durch eine
Hauptspindel, die die Schleifscheibe lagert, und Positionieren eines
Objekts, das bearbeitet werden soll. Diese Vorgänge werden mit Genauigkeit
gesteuert, um eine Präzisionsbearbeitung
zu ermöglichen.
Ein Verfahren von der Vorbearbeitung zur Superpräzisionsbearbeitung, das durch
Verwendung einer Vorrichtung durch den gesamten Prozess hindurch
in konsistenter Weise ausgeführt
wird, erfordert insbesondere eine exakte Steuerung der Zustellung
durch die Hauptspindel über
einen weiten Bereich in den vorstehend beschriebenen wesentlichen
Vorgängen.
Normalerweise wird beim herkömmlichen
Schleifen, z. B. ein System unter Verwendung eines Servomotors zur
Steuerung der Hauptspindel verwendet. Von diesem System kann jedoch
nicht behauptet werden, dass es für eine exakte Steuerung durch
Nieder- und Hochdruckbereiche geeignet ist. Zudem ist dieses System für eine Bearbeitung
in einem Niederdruckbereich, in dem insbesondere eine Superpräzisionsbearbeitung ausgeführt wird,
nicht geeignet.
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Von
den Erfindern der vorliegenden Erfindung wurde dann eine Präzisionsbearbeitungsmaschine
offenbart, in der eine Drucksteuerung mittels einer Kombination
aus einem Servomotor und einem supermagnetostriktiven Stellglied
ausgeführt
wird. Die Steuerung wird dabei mittels des Servomotors und eines
piezoelektrischen Stellglieds in einem Druckbereich von 10 gf/cm2 oder darüber ausgeführt und mittels des supermagnetostriktiven
Stellglieds in einem Druckbereich von 0,01 bis 10 gf/cm2 ausgeführt. Auf
diese Weise kann ein Verfahren von der Vorbearbeitung zur Superpräzisionsbearbeitung durch
Verwendung einer Vorrichtung durch den gesamten Prozess hindurch
in konsistenter Weise ausgeführt
werden. Bei dieser Präzisionsbearbeitungsmaschine
ist eine becherförmige
Schleifscheibe mit einer Schleifkorngröße vorgesehen, die einen Feinheitsgrad
vorsieht, der höher
als der von Nr. 3000 ist.
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In
der Präzisionsbearbeitungsmaschine,
die in der
japanischen
Patentveröffentlichung
(Kokai) 2000-141207 A offenbart ist, kann ein Verfahren
von der Vorbearbeitung zur Superpräzisionsbearbeitung in konsistenter
Weise ausgeführt
werden, indem durch den gesamten Prozess hindurch eine Vorrichtung
verwendet wird und dabei eine extrem hohe Genauigkeit, mit der eine
zur Endbearbeitung bestimmte Oberfläche bearbeitet wird, erreicht
werden kann.
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Die
JP-A-2000-141207 ,
wie in den Patent Abstracts of Japan offenbart ist, weist eine Schleifscheibe
auf, die auf einem ersten Ständer
und einem zweiten Ständer
gelagert wird, der eine Werkstückhalterung
lagert, die ein Werkstück
hält, bei
dem es sich um einen Siliziumwafer handeln kann, der geschliffen
werden soll. Der Schleifdruck wird durch einen Servomotor und ein
supermagnetostriktives Stellglied in der Werkstückhalterung gesteuert. Der Servomotor
ermöglicht
eine Grobsteuerung des Schleifvorgangs, und das supermagnetostriktive Stellglied
ermöglicht
eine Feinsteuerung des Spanabhebungsbetrags und des Bearbeitungsdrucks.
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Es
haben sich jedoch dahingehend Probleme ergeben, dass, wenn eine
Superpräzisionsbearbeitung
ausschließlich
mittels des supermagnetostriktiven Stellglieds ausgeführt wird,
die infolge des magnetostriktiven Stellglieds erzeugte Wärme sich auf
andere Komponenten der Präzisionsbearbeitungsmaschine
und andere Komponenten auswirkt und diese durch diese Wärmeentwicklung
beschädigt
werden können.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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In
einer veranschaulichenden Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird versucht, eine Präzisionsbearbeitungsvorrichtung
und ein Präzisionsbearbeitungsverfahren
zu schaffen, wobei eine Steuerung basierend auf dem Betrag der Bewegung einer
Schleifscheibe oder eines zu schleifenden Objekts und eine Steuerung
basierend auf einem Druck (konstanten Druck) kombiniert werden,
um einen effizienten und hochgenauen Schleifvorgang zu realisieren.
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In
einer anderen veranschaulichenden Ausführungsform wird versucht, eine
Präzisionsbearbeitungsmaschine
und ein Präzisionsbearbeitungsverfahren
zu schaffen, wobei eine Mehrstufen-Drucksteuerung in Bezug auf die
Bearbeitungsstufen ohne Verwendung eines supermagnetostriktiven
Stellglieds zur Drucksteuerung ausgeführt wird und die daher in der
Lage sind, die Bearbeitungsgenauigkeit zu verbessern, während es
nicht mehr notwendig ist, auf das Wärmeerzeugungsproblem an den
jeweiligen Bearbeitungsstufen Rücksicht
zu nehmen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Präzisionsbearbeitungsvorrichtung
geschaffen, die folgende Merkmale aufweist: eine Drehvorrichtung zum
Drehen eines zu schleifenden Objekts; einen ersten Ständer, der
die Drehvorrichtung zum Drehen des zu schleifenden Objekts lagert;
eine Drehvorrichtung zum Drehen einer Schleifscheibe; einen zweiten Ständer, der
die Drehvorrichtung zum Drehen der Schleifscheibe lagert; und Bewegungseinstellungseinrichtungen,
die an dem ersten Ständer
und/oder dem zweiten Ständer
angeordnet sind, wobei die Bewegungseinstellungseinrichtungen einen
ersten Bewegungseinstellungsbereich, einen zweiten Bewegungseinstellungsbereich
und eine Steuerung beinhalten, wobei die Bewegungseinstellungseinrichtungen
angeordnet sind, um einen der Ständer
in die Richtung des anderen zu bewegen, so dass ein Schleifvorgang
ausgeführt
werden kann und gleichzeitig der Ständer und die durch ihn gelagert
Drehvorrichtung bewegt werden, wobei der erste Bewegungseinstellungsbereich
auswählbar
ist, um die Bewegung des Ständers
basierend auf dem Bewegungsbetrag desselben zu steuern, und der
zweite Bewegungseinstellungsbereich auswählbar ist, um einen konstanten
Druck, der stufenweise variiert wird, auf den Ständer auszuüben, um zu bewirken, dass der
Ständer
in der Bewegungsrichtung gleitet.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Präzisionsbearbeitungsvorrichtung,
die in der Lage ist, ein Verfahren von der Vorbearbeitung zur Superpräzisionsschleifung
an einem zu schleifenden Objekt konsistent auszuführen, in
dem durch das gesamte Verfahren hindurch eine Präzisionsbearbeitungsvorrichtung
verwendet wird. Die Drehvorrichtung zum Drehen des Objekts, das
geschliffen werden soll, während
es gehalten wird, und die Drehvorrichtung zum Drehen einer Schleifscheibe
sind auf den Ständern
befestigt, wobei die Bearbeitungsoberfläche des Objekts, das geschliffen
werden soll, und die Schleifscheibe einander gegenüberliegen.
Das zu schleifende Objekt und die Schleifscheibe sind so positioniert,
dass deren Achsen zueinander ausgerichtet sind. Der erste Ständer, der
die Drehvorrichtung zum Drehen des zu schleifenden Objekts lagert,
wird fixiert, und ein Schleifvorgang wird ausgeführt, während der Bewegungsbetrag des
zweiten Ständers,
der die Drehvorrichtung zum Drehen der Schleifscheibe lagert, gemäß den Bearbeitungsstufen
mittels des ersten Bewegungseinstellungsbereichs und des zweiten
Bewegungseinstellungsbereichs gesteuert wird.
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Der
erste Bewegungseinstellungsbereich ist ein Mechanismus für eine Steuerung
auf Basis des Bewegungsbetrags, um den der Ständers tatsächlich bewegt wird. Der zweite
Bewegungseinstellungsbereich ist ein Konstantdruck-Steuerungsmechanismus,
der einen konstanten Druck auf den Ständer ausübt, um den Ständer zu
bewegen. Um einen Superpräzisionsschleifvorgang
wirksam auszuführen, wird
eine Steuerung des Ständers
basierend auf dem Bewegungsbetrag vorzugsweise vorn Standpunkt des
Schleifbetrags, der Schleifeffizienz und anderer Faktoren in einer
initialen Vorschleifstufe aus vorgenommen, und ein Endbearbeitungsvorgang
durch eine Konstantdrucksteuerung, die den Druck stufenweise ändert, wird
vorzugsweise in einer finalen Endbearbeitungsstufe (Superpräzisions-Schleifstufe) ausgeführt. Die
vorliegende Ausführungsform
sieht somit die Präzisionsbearbeitungsvorrichtung
mit dem ersten Bewegungseinstellungsbereich und dem zweiten Bewegungseinstellungsbereich
vor, um einen konsistenten Schleifvorgang durch Verwendung einer
vorstehend beschriebenen Vorrichtung auszuführen.
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In
einem anderen Implementationsmodus der Präzisionsbearbeitungsvorrichtung
der vorliegenden Ausführungsform
beinhaltet der erste Bewegungseinstellungsbereich einen Vorschubspindelmechanismus,
in dem eine Schraubenmutter mit einer Schraubengewindeverbindung
zu einer Vorschubspindel durch die Drehung der Vorschubspindel bewegt
wird, und der zweite Bewegungseinstellungsbereich ein pneumatisches
Stellglied oder ein hydraulisches Stellglied beinhaltet.
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In
einem Implementationsmodus, indem z. B. der zweite Ständer, der
die Drehvorrichtung zum Drehen der Schleifscheibe lagert, in Richtung
des zu schleifenden Objekts bewegt wird, sind eine Vorschubspindel
und eine Mutter, die einen sogenannten Vorschubspindelmechanismus
(einen ersten Bewegungseinstellungsbereiche) bilden, an dem zweiten
Ständer
befestigt, und ein geeignetes pneumatisches Stellglied oder ein
hydraulisches Stellglied (zweiter Bewegungseinstellungsbereich)
ist an dem zweiten Ständer
befestigt ist. Die Mutter dieses Vorschubspindelmechanismus ist
durch ein Schraubengewinde beweglich mit einer Vorschubspindel verbunden,
die an einer Ausgangswelle eines Servomotors angebracht ist, und
ist an dem zweiten Ständer befestigt,
um zu ermöglichen,
dass der zweite Ständer
steuerbar bewegt werden kann. Dieser Vorschubspindelmechanismus
und das Stellglied können
nach Bedarf den Schleifstufen entsprechend ausgewählt werden.
Der Vorschubspindelmechanismus wird beispielsweise an der initialen
Vorschleifstufe ausgewählt,
bevor ein bestimmter Grad einer Oberflächenrauhigkeit in der Oberfläche des
zu schleifenden Objekts erhalten wird. Ein Vorschleifvorgang auf
der Oberfläche
des zu schleifenden Objekts wird ausgeführt, indem die Drehvorrichtung (Schleifscheibe)
auf dem zweiten Ständer
zu dem zu schleifenden Objekt dem geeigneten Bewegungsbetrag der
Mutter entsprechend bewegt wird. Wenn der Vorschleifvorgang auf
der Oberfläche
des zu schleifenden Objekts abgeschlossen ist, wechselt der Steuerungsmodus
von einer Steuerung basierend auf dem Bewegungsbetrag zu einer Konstantdrucksteuerung
in der Superpräzisionsschleifstufe.
Zum Zeitpunkt dieser Steuerungsmodiänderung wird die zu verwendende
Schleifscheibe durch eine Schleifscheibe zum Superpräzisionsschleifen
ausgetauscht. In der Superpräzisions-Schleifstufe
wird die Oberfläche
des zu schleifenden Objekts bei einem extrem geringen Schleifbetrag
endbearbeitet. Bei diesem Schleifvorgang besteht die Notwendigkeit, die
Schleifscheibe bei konstantem Druck gegen die Oberfläche des
zu schleifenden Objekts zu drücken. Entsprechend
der vorliegenden Ausführungsform wird
ein pneumatisches Stellglied oder ein hydraulisches Stellglied verwendet,
um diese Konstantdrucksteuerung zu erreichen.
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Bei
der Präzisionsbearbeitungsvorrichtung der
vorliegenden Ausführungsform
kann wahlweise der Vorschubspindelmechanismus und das pneumatische
oder hydraulische Stellglied verwendet werden und daher das Verfahren
vom Vorschleifen bis zum Superpräzisionsschleifen
durch Verwendung einer Präzisionsbearbeitungsvorrichtung
den gesamten Prozess hindurch in konsistenter Weise ausgeführt werden.
Da in der Superpräzisionsschleifstufe,
in der eine Konstantdrucksteuerung erforderlich ist, ein hinreichend
bekanntes pneumatisches oder hydraulisches Stellglied verwendet
wird, kommt es zum Betriebszeitpunkt des Stellglieds nicht zu dem
Problem der Wärmeentwicklung
und dergleichen, und die Vorrichtung kann bei verringertem Kostenaufwand
hergestellt werden.
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In
noch einem weiteren Implentationsmodus der Präzisionsbearbeitungsvorrichtung
beinhaltet der zweite Bewegungseinstellungsbereich eine Mehrzahl von
pneumatischen oder hydraulischen Stellgliedern, die sich in ihrer
Druckleistungsverhalten voneinander unterscheiden, und die Bewegung
des Ständers
und der Drehvorrichtung durch den zweiten Bewegungseinstellungsbereich
kann durch einen selektiv geänderten
Druck gesteuert werden.
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In
der Superpräzisionsschleifstufe
besteht die Notwendigkeit, einen Mehrstufen-Konstantdruck-Schleifvorgang auszuführen, indem
eine Einstellung vorgenommen wird, um zum ermöglichen, dass eine Bearbeitung
an dem zu schleifenden Objekt in einen Duktilitätsmodus übergehen kann, und indem der
Druck allmählich
reduziert wird.
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In
den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird der vorstehend beschriebene Mehrstufen-Konstantdruck-Schleifvorgang
mittels Stellgliedern mit einem Druckleistungsverhalten gemäß den Konstantdruckschleifstufen
ausgeführt.
In einem Fall, in dem die Drucksteuerung bei 10 mgf/cm2 bis 5000
gf/cm2 erforderlich wird, wird das Schleifverfahren
in einen in zwei Stufen aufgeteilten Schleifvorgang aufgeteilt:
einen Schleifvorgang in einem Niederdruckbereich von 10 mgf/cm2 bis 300 gf/cm2,
und einen Schleifvorgang in einem Hochdruckbereich von 300 gf/cm2 bis 5000 gf/cm2,
und es sind zwei Stellglieder vorgesehen, die jeweils in diesen
Druckbereichen auswählbar
verwendet werden sollen.
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In
einem weiteren Implentationsmodus der Präzisionsbearbeitungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung ist eine Haltungssteuerungsvorrichtung zum
Steuern der Lage der Drehvorrichtung zwischen der Drehvorrichtung
und dem ersten Ständer
oder zwischen der Drehvorrichtung und dem zweiten Ständer angeordnet;
die Haltungssteuerungsvorrichtung beinhaltet ein ersten Flachplattenelement,
das sich in einer Ebene erstreckt, das durch eine X-Achse und eine
Y-Achse definiert ist, und ein zweites Flachplattenelement, das
parallel zu dem ersten Flachplattenelement angeordnet ist, während es
gleichzeitig zu demselben beabstandet ist; in den Oberflächen der
beiden Flachplattenelemente, die einander gegenüberliegen, sind Ausnehmungen
ausgebildet; ein kugelförmiges
Element ist zwischen dem ersten Flachplattenelement und dem zweiten
Flachplattenelement angeordnet, in dem Bereiche des kugelförmigen Elements
in die Ausnehmungen eingepasst werden; ein erstes Stellglied, das
in einer Z-Achsenrichtung
senkrecht zur Ebene, die durch die X-Achse und die Y-Achse definiert
ist, erweiterbar ist, ist zwischen dem ersten Flachplattenelement
und dem zweiten Flachplattenelement angeordnet; ein zweites Stellglied,
das in einer geeigneten Richtung in der durch die X-Achse und die
Y-Achse definierten Richtung erweiterbar ist, ist mit dem zweiten
Flachplattenelement verbunden; das zweite Flachplattenelement ist relativ
zum ersten Flachplattenelement beweglich, während es sich in einer Lage
zu einem darauf montierten Objekt befindet; das kugelförmige Element
ist mit dem ersten Flachplattenelement und/oder dem zweiten Flachplattenelement
durch einen elastisch verformbaren Klebstoff verbunden; und ein
piezoelektrisches Element und ein supermagnetostriktives Element
sind in einem jeweiligen ersten und zweiten Stellglied bereitgestellt.
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Das
erste Flachplattenelement und das zweite Flachplattenelement sind
jeweils aus einem Material mit einer Festigkeit gebildet, die ausreichend hoch
ist, um das Gewicht eines Objekts zu lagern, das auf dem zweiten
Flachplattenelement befestigt ist.
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Diese
Material ist vorzugsweise nichtmagnetisch. Auch ist dieses Material
nicht auf ein spezielles Material beschränkt. Es kann jedoch ein austenitischer
rostfreier Stahl (SUS) verwendet werden. Das kugelförmige Element,
das zwischen dem ersten Flachplattenelement und dem zweiten Flachplattenelement
angeordnet ist, ist zudem aus einem Material gebildet, das eine
Festigkeit aufweist, die ausreichend hoch ist, um zumindest das
Gewicht des Objekts, das auf dem zweiten Flachplattenelement angeordnet
ist, zu stützen.
Daher kann das Material, das das kugelförmige Element gemäß dem angesetzten
Gewicht des befestigten Objekts ausbildet, ebenfalls aus unterschiedlichen
Materialien ausgewählt
werden. Ein Beispiel für
das Material des kugelförmigen
Elements ist ein Metall. Die Ausnehmungen sind als Bereiche des
ersten Flachplattenelements und des zweiten Flachplattenelements
ausgebildet, die mit dem kugelförmigen
Element in Kontakt gebracht werden sollen. Das kugelförmige Element
ist zwischen den Flachplattenelementen angeordnet, wobei Bereiche
des kugelförmigen
Elements in die Ausnehmungen eingepasst sind. Die Abmessungen der
Ausnehmungen (Tiefe, Öffnungsdurchmesser und
dergleichen) werden z. B. entsprechend den Abmessungen der Flachplattenelemente
und des kugelförmigen
Elements und der erforderlichen Haltungssteuerungsgenauigkeit passend
eingestellt. Es ist jedoch erforderlich, dass zumindest zwischen
dem ersten Flachplattenelement und dem zweiten Flachplattenelement
in der Stufe, wo die Bereiche des kugelförmigen Elements in die Ausnehmungen
der beiden Flachplattenelemente eingepasst sind, eine vorbestimmte
Beabstandung beibehalten wird. Diese Beabstandung ist auf einen
solchen Wert eingestellt, dass das zweite Flachplattenelement das
erste Flachplattenelement nicht kontaktiert, selbst wenn es durch
den Betrieb des zweiten Stellglieds geneigt wird.
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Die
Oberflächen
der mit Ausnehmungen versehenen Bereiche der beiden einander gegenüberliegenden
Flachplattenelemente und des kugelförmigen Elements können durch
einen Klebstoff aneinander befestigt verbunden werden. Als dieser
Klebstoff kann ein geeigneter Klebstoff mit einer Eigenschaft verwendet
werden, mit der er bei normalen Temperaturen elastisch. Es kann
beispielsweise ein elastischer Epoxidklebstoff oder ein beliebiger
anderer elastischer Klebstoff verwendet werden. Es kann beispielsweise
ein Klebstoff mit einer Scherzugkraft von 10 bis 15 Mpa, einem Dämpfungskoeffizienten
von 2 bis 7 Mpa × sec,
vorzugsweise 4,5 Mpa × sec
und einer Federkonstante von 80 bis 130 GN/m, vorzugsweise 100 GN/m
verwendet werden. Die Dicke der Klebstoffschicht kann bei etwa 0,2
mm angesetzt werden. Ein Implementationsmodus, bei dem eine Ausnehmung
in entweder nur dem ersten Flachplattenelement oder nur dem zweiten
Flachplattenelement ausgebildet ist, ein Bereich des kugelförmigen Elements
in die Ausnehmung eingepasst ist und die mit Ausnehmungen versehene
Oberfläche
und das kugelförmige
Element durch einen Klebstoff aneinander befestigt werden, ist ebenso
denkbar wie der, bei dem die Ausnehmungen in den beiden Flachplattenelementen
ausgebildet sind.
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Es
ist ein Implementationsmodus der Haltungssteuerungsvorrichtung vorstellbar,
in dem das kugelförmige
Element und die beiden Stellglieder zwischen dem ersten Flachplattenelement
und dem zweiten Flachplattenelement an Positionen angeordnet sind,
die den Scheitelpunkten eines Dreiecks entsprechen, die in einer
Ebene frei wählbar
sind, wie der Draufsicht zu entnehmen ist. Es ist ein Implementationsmodus
denkbar, in dem das zweite Stellglied an dem zweiten Flachplattenelement
zumindest an einer von vier Kanten des zweiten Flachplattenelements
angebracht ist. Wenn zumindest diese drei Stellglieder verwendet
werden, kann das zweite Flachplattenelement relativ zu dem ersten
Flachplattenelement dreidimensional verschoben werden, während es
sich in einer Lage befindet, in der das Objekt direkt daran befestig
ist. Wenn das zweite Flachplattenelement verschoben wird, wird der
Klebstoff auf der Oberfläche
des kugelförmigen
Elements, das das zweite Flachplattenelement von unten her stützt, elastisch
verformt, um eine freie Verschiebung des zweiten Flachplattenelements
zu erreichen, die im Wesentlichen keinen Einschränkungen unterliegt.
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Das
erste und das zweite Stellglied weisen vorzugsweise zumindest ein
supermagnetostriktives Element auf. Bei dem supermagnetostriktiven
Element handelt es sich um eine Legierung aus einem Seltenerdmetall
wie Dysprosium oder Terbium und Eisen oder Nickel. Das supermagnetostriktive
Element in der Form eines Stabs kann sich unter Einfluss eines Magnetfelds
um etwa 1 bis 2 μm
ausdehnen, das entsteht, indem ein Strom an eine Spule um das supermagnetostriktive
Element angelegt wird.
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Das
supermagnetostriktive Element ist mit einer solchen Charakteristik
versehen, dass es in einem Frequenzbereich von 2 KHz oder weniger
verwendbar ist und eine Antwortgeschwindigkeit von einer Pikosekunde
(1012 sec) und ein Leistungsabgabeverhalten
von z. B. etwa 15 bis 25 KJ/cm3, etwa 20 bis
50 mal höher
als das nachstehend beschriebene piezoelektrische Element aufweist.
Das piezoelektrische Element ist hingegen aus einem Bleizirkonattitanat
(Pb(Zr, Ti)O3), Bariumtitanat (BaTiO3), Bleititanat (PbTiO3)
oder dergleichen gebildet. Das piezoelektrische Element ist mit
einer solchen Charakteristik ausgestattet, dass es in einem Frequenzbereich
von 10 kHz oder höher
verwendbar ist und eine Antwortgeschwindigkeit von einer Nanosekunde
(10–9)
aufweist. Die Abgabeleistung des piezoelektrischen Elements ist
geringer als die des supermagnetostriktiven Elements und ist für eine Hochpräzisions-Positionierungssteuerung
(Lagesteuerung) in einem verhältnismäßig leichten
Lastbereich geeignet. Das piezoelektrische Element, auf das hierin
Bezug genommen wird, weist auch ein elektrostriktives Element auf.
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Ferner
ist ein Implementationsmodus vorstellbar, in dem durch den vorstehend
beschriebenen Klebstoff auf der Oberfläche des kugelförmigen Elements
eine Schicht ausgebildet wird, und das kugelförmige Element und die Schicht
des Klebstoffs voneinander getrennt sind, so dass sie zueinander
relativ beweglich sind. Der Klebstoff ist aus dem vorstehend beschriebenen
elastisch verformbaren Material gefertigt. Eine aus diesem Klebstoff
gebildete Schicht kann auf der Oberfläche eines metallischen kugelförmigen Elements
ausgebildet sein. Um den Grad der Einschränkung in Bezug auf das zweite
Flachplattenelement zu reduzieren, werden in der vorliegenden Erfindung
das kugelförmige
Element und der Klebstoff auf der äußeren Umfangsoberfläche des
kugelförmigen
Elements voneinander getrennt. Es wird z. B. eine Graphitschicht
auf der Oberfläche
des kugelförmigen
Elements ausgebildet und eine durch den Klebstoff gebildete Schicht
auf der äußeren Umfangsoberfläche der
Graphitschicht ausgebildet. Der Klebstoff und der Graphitschicht
bleiben nicht aneinander haften. Die Klebstoff- und Graphitschicht werden im Wesentlichen
getrennt voneinander erzeugt. Wenn daher das zweite Flachplattenelement
verschoben wird, kann sich das kugelförmige Element in einem einschränkungslosen
Zustand in der feststehenden Position drehen, während sich der Klebstoff in
der Oberflächenlage
als Reaktion auf die Verformung des zweiten Flachplattenelements
elastisch verformt, ohne durch das kugelförmige Element eine Einschränkung zu
erfahren. In der vorliegenden Ausführungsform werden ein geeignetes
Flachplattenelement, ein Klebstoff und ein kugelförmiges Element (Schicht
auf der Oberfläche
des kugelförmigen
Elements) zur Verwirklichung des ersten Flachplattenelements, der
Klebstoff, der mit dem ersten Flachplattenelement verbunden ist,
und das kugelförmige
Element (oder die Schicht auf der Oberfläche des kugelförmigen Elements),
das nicht mit dem Klebstoff in Verbindung steht, bereitgestellt.
Der Einschränkungsgrad
in Bezug auf die Bewegung des zweiten Flachplattenelements wird
verringert, um eine extrem feine Echtzeitbewegung zu realisieren,
die von der Haltungssteuerungsvorrichtung gefordert wird. Da der
Einschränkungsgrad
auf das zweite Flachplattenelement dem einschränkungslosen Zustand nahe ist, kann
die von dem zweiten Stellglied zum Zeitpunkt der Verschiebung des
zweiten Flachplattenelements angeforderte Energie im Vergleich zum
Stand der Technik reduziert werden.
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Das
supermagnetostriktive Element und das piezoelektrische Element in
einem jeweiligen Stellglied können
wahlweise nach Bedarf abhängig
von dem Gewicht einer Last oder eines Schleifschritts verwendet
werden. Daher kann ein Schleifvorgang ausgeführt werden, während der
Einfluss der Wärme,
die im Fall der Verwendung von nur dem supermagnetostriktiven Element
erzeugt wird, effektiv reduziert wird und die Lage der Drehvorrichtung
mit hoher Genauigkeit gesteuert wird. Es wird ein Schleifvorgang
ausgeführt,
während
eine Fehlausrichtung zwischen den Achsen der Drehvorrichtung, die
einander gegenüberliegen,
durch die Haltungssteuerungsvorrichtung passend korrigiert wird.
Da das jeweilige supermagnetostriktive und piezoelektrische Element
eine hohe Antwortgeschwindigkeit aufweist, werden das supermagnetostriktive
Element und das piezoelektrische Element in der vorliegenden Erfindung
wahlweise derart verwendet, dass, obgleich grundsätzlich das
piezoelektrische Element verwendet wird, das supermagnetostriktive
Element im Bedarfsfall verwendet wird. Ferner wird eine geringe Fehlausrichtung
zwischen den Achsen jederzeit erfasst. Die erfasste geringe Fehlausrichtung
wird durch eine numerische Verarbeitung in einem Computer verarbeitet,
die als notwendiger Expansionsbetrag in ein jeweiliges supermagnetostriktives
Element (supermagnetostriktives Stellglied) oder piezoelektrisches
Element (piezoelektrisches Stellglied) eingegeben werden sollen.
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In
einem weiteren Implementationsmodus der Präzisionsbearbeitungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung weist die Schleifscheibe zumindest eine
CMG-Schleifscheibe
auf.
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Bei
der CMG-Schleifscheibe (Schleifkörper) handelt
es sich um eine Schleifscheibe, die verwendet wird, wenn ein finaler
Schleifvorgang als chemomechanischer Schleifvorgang (CMG) ausgeführt wird.
Dieses Verfahren wird zum Ausführen
von nur einem Schleifverfahren unter Verwendung einer CMG-Schleifscheibe anstelle
des mehrstufigen Verfahrens angewendet, das im Stand der Technik
ein Ätzen,
Lappen und Polieren beinhaltet. An der Entwicklung des CMG-Verfahrens wird derzeit
gearbeitet. Beim Schleifen wird die Diamantschleifscheibe in der
Vorschleifstufe verwendet, während
die CMG-Schleifscheibe in der Superpräzisionsschleifstufe verwendet
wird, wodurch die Schleifscheiben selektiv verwendet werden.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird auch ein Präzisionsbearbeitungsverfahren
unter Verwendung einer Präzisionsbearbeitungsvorrichtung
geschaffen, die eine Drehvorrichtung zum Drehen eines zu schleifenden
Objekts, einen ersten Ständer,
auf dem die Drehvorrichtung gelagert wird, eine Drehvorrichtung
zum Drehen einer Schleifscheibe, einen zweiten Ständer, der
die Drehvorrichtung zum Drehen der Schleifscheibe lagert, und Bewegungseinstellungseinrichtungen
beinhaltet, die an dem ersten Ständer
und/oder dem zweiten Ständer angeordnet
sind, wobei die Bewegungseinstellungseinrichtungen in der Lage sind,
einen der Ständer zum
jeweils anderen hin zu bewegen, wobei die Bewegungseinstellungseinrichtungen
einen ersten Bewegungseinstellungsbereich beinhalten, der betreibbar
ist, um die Bewegung des Ständers
basierend auf dessen Bewegungsbetrag zu steuern, und einen zweiten
Bewegungseinstellungsbereich, der betreibbar ist, um einen Konstantdruck,
der schrittweise variiert wird, auf den Ständer auszuüben, um zu bewirken, dass der
Ständer
in der Bewegungsrichtung gleitet, und wobei ein Schleifvorgang ausgeführt werden
kann und gleichzeitig der Ständer
und die Drehvorrichtung bewegt werden, während der erste Bewegungseinstellungsbereich
und der zweiten Bewegungseinstellungsbereich selektiv verwendet
werden, wobei das Präzisionsbearbeitungsverfahren
folgende Schritte beinhaltet: einen ersten Schritt zum Ausbilden
eines unmittelbar geschliffenen Objekts durch Ausführen eines
Vorschleifvorgangs an dem zu schleifenden Objekt; und einen zweiten
Schritt zum Ausbilden eines endgültig
geschliffenen Objekts durch Schleifen des unmittelbar geschliffenen
Objekts unter Verwendung einer CMG-Schleifscheibe, wobei die Bewegung
der Drehvorrichtung und des Ständers
durch den ersten Bewegungseinstellungsbereich in dem ersten Schritt
eingestellt wird, und die Bewegung der Drehvorrichtung und des Ständers durch
den zweiten Bewegungseinstellungsbereich in dem zweiten Schritt
eingestellt wird.
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In
dem ersten Schritt wird beispielsweise ein Vorschleifvorgang unter
Verwendung einer Diamantschleifscheibe ausgeführt, und in dem zweiten Schritt wird
ein Superpräzisionsschleifvorgang
unter Verwendung der CMG-Schleifscheibe ausgeführt.
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Bei
dem ersten Bewegungseinstellungsbereich zum Ausführen des ersten Schritts handelt
es sich beispielsweise um einen Steuerungsmechanismus zum tatsächlichen
Bewegen des zweiten Ständers
um einen bestimmten Betrag in Richtung des ersten Ständers durch
Verwendung eines Vorschubspindelmechanismus und dergleichen, wie
vorstehend beschrieben wurde.
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Der
zweite Bewegungseinstellungsbereich zum Ausführen des zweiten Schritts ist
ein Mechanismus zum Ausführen
einer stufenweisen Konstantdrucksteuerung, wie vorstehend beschrieben
wurde. Dieser Mechanismus kann so implementiert werden, dass in
Bezug auf eine jeweilige Druckstufe ein geeignetes pneumatisches
oder hydraulisches Stellglied ausgewählt wird.
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Wie
aus Vorstehendem zu entnehmen ist, ermöglichen die Präzisionsbearbeitungsvorrichtung und
das Präzisionsbearbeitungsverfahren
der vorliegenden Erfindung eine konsistente Ausführung eines Verfahrens von
einem Vorschleifvorgang bis zu einem Superpräzisionsschleifvorgang durch
selektives Ausführen
einer Steuerung unter Verwendung des ersten Bewegungseinstellungsbereichs,
z. B. eines Vorschubspindelmechanismus, und basierend auf dem Bewegungsbetrag
und einer Mehrstufen-Konstantdrucksteuerung unter Verwendung des
zweiten Bewegungseinstellungsbereichs, z. B. eines pneumatischen
Stellglieds oder eines hydraulischen Stellglieds, wodurch ein effizienter
und exakter Schleifvorgang erreicht wird. In der Präzisionsbearbeitungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung korrigiert die Haltungssteuerungsvorrichtung,
die so aufgebaut ist, dass ein kugelförmiges Element zwischen zwei Flachplattenelementen
angeordnet wird, nach Bedarf die Haltung der Drehvorrichtung während des Schleifvorgangs,
wodurch die Schleifgenauigkeit verbessert wird. Da die Präzisionsbearbeitungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung so ausgelegt ist, dass ein supermagnetostriktives
Stellglied nicht zur Drucksteuerung in der Superpräzisionsschleifstufe verwendet
wird, besteht keine Notwendigkeit, das Problem der Wärmeentwicklung
in einer jeweiligen Schleifstufe zu berücksichtigen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine Seitenansicht einer Ausführungsform
einer Präzisionsbearbeitungsvorrichtung der
vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht der Bewegungseinstellungseinrichtungen;
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3 ist
eine Schnittansicht, die entlang der Linie III-III in 2 erstellt
wurde;
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4 ist
eine Schnittansicht, die entlang der Linie IV-IV in 2 erstellt
wurde;
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5 ist
eine Draufsicht einer Ausführungsform
einer Haltungssteuerungsvorrichtung;
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6 ist
eine Schnittansicht, die entlang der Linie VI-VI in 5 erstellt
wurde; und
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7 ist
eine Schnittansicht, die entlang der Linie VII-VII in 5 erstellt
wurde.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. In den veranschaulichten Ausführungsformen kommt ein pneumatisches
Stellglied zur Anwendung. Es kann jedoch auch ein hydraulisches
Stellglied verwendet werden. Zudem kann eine Anordnung unter Verwendung
von drei oder mehreren Stellgliedern einer Drucksteuerung entsprechend
vorgesehen werden.
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1 zeigt
eine Ausführungsform
der Präzisionsbearbeitungsvorrichtung 1.
Die Präzisionsbearbeitungsvorrichtung 1 besteht
hauptsächlich
aus einer Drehvorrichtung 6a zum Drehen eines zu schleifenden
Objekts, während
das Objekt in einer Haltung gehalten wird, indem es durch ein Vakuum
angezogen wird, einem ersten Ständer 2,
der die Drehvorrichtung 6a lagert, einem zweiten Ständer 3,
der eine Drehvorrichtung 6b zum Drehen einer Schleifscheibe b
lagert, Bewegungseinstellungseinrichtungen zum Bewegen des zweiten
Ständers 3 in
einer horizontalen Richtung, und einer Basis 9, die den
ersten und den zweiten Ständer 2 und 3 von
unter her stützt. Eine
Diamantschleifscheibe wird vorzugsweise als die Schleifscheibe b
in einer Vorschleifstufe verwendet, und eine CMG-Schleifscheibe
wird als die Schleifscheibe b in einer Superpräzisionsschleifscheibe verwendet.
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Eine
Haltungssteuerungsvorrichtung 7 ist zwischen dem ersten
Ständer 2 und
der Drehvorrichtung 6a angeordnet. Die Bewegungseinstellungseinrichtungen
bestehen aus einem Vorschubspindelmechanismus 4 zum Steuern
des zweiten Ständers 3 auf
Basis des Bewegungsbetrags und aus pneumatischen Stellgliedern 5 zur
Drucksteuerung des zweiten Ständers 3.
Der Vorschubspindelmechanismus 4 und das pneumatische Stellglied 5 sind
mit einer Steuerung 8 verbunden und können nach Bedarf in Bezug auf
die Schleifstufen geschaltet werden. Die Positionen des zu schleifenden
Objekts und der Schleifscheibe b werden durchweg mit Positionserfassungsdetektoren
(nicht gezeigt) erfasst. Piezoelektrische Elemente und supermagnetostriktive
Elemente, die die nachstehend beschriebene Haltungssteuerungsvorrichtung 7 bilden,
werden gemäß Informationen über die
erfassten Positionen erweitert, um die Fehlausrichtung zwischen
den Achsen der Drehvorrichtung 6a und 6b zu passend
korrigieren.
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In
dem Vorschubspindelmechanismus 4 ist eine Mutter 42 durch
ein Schraubengewinde mit einer Vorschubspindel 41 drehbar
verbunden, die an einer Abtriebswelle eines Servomotors 43 angebracht
ist. Die Mutter 42 ist an dem zweiten Ständer 3 angebracht.
Ferner ist der zweite Ständer 3 lösbar mit
der Mutter 42 verbunden.
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In 2 sind
Details über
die Bewegungseinstellungseinrichtungen dargestellt. Der zweite Ständer 3 ist
so ausgebildet, dass der in einer Seitenansicht L-förmig ist.
Eine Seite der L-Form entspricht einer Seitenoberfläche, an
der die Drehvorrichtung 6a montiert ist, und die andere
Seite der L-Form entspricht einer Seitenoberfläche, die mittels eines Stiftelements 45 mit
einem Plattenelement 44 zusammengefügt ist. Die Mutter 42 ist
direkt an dem Plattenelement angebracht.
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Eine
Durchgangsöffnung,
in die die Vorschubspindel 41 lose eingepasst ist, ist
in einem Bereich 32 des zweiten Ständers 3 ausgebildet,
der der anderen Seite der L-Form entspricht. Auf der linken und
rechten Seite der lose eingepassten Vorschubspindel 41 sind
pneumatische Stellglieder 5a und 5b an dem zweiten
Ständer 3 befestigt.
Die pneumatischen Stellglieder 5a und 5b unterscheiden
sich in ihrer Druckleistung voneinander. Das pneumatische Stellglied 5a übernimmt
seine Funktion in einem Bereich, in dem ein verhältnismäßig niedriger Druck vorherrscht,
während
das pneumatische Stellglied 5b seine Funktion in einem
Bereich übernimmt,
in dem ein verhältnismäßig hoher
Druck vorherrscht. In dem pneumatischen Stellglied 5a ist
beispielsweise eine Kolbenstange 5a2 gleitbar in einen
Zylinder 5a1 eingefügt.
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In
einer Vorschleifstufe als eine initiale Stufe des Schleifvorgangs
werden das Plattenelement 44, das mit der Mutter 42 verbunden
ist, und der erste Ständer 3 durch
das Stiftelement 45 verbunden. Die Mutter 42 wird
daher entsprechend dem Antrieb des Servomotors 43 um einen
gewissen Betrag bewegt. Der zweite Ständer 3 (die Drehvorrichtung 6b,
die an dem zweiten Ständer 3 befestigt
ist) wird um einen entsprechenden Betrag mit der Bewegung der Mutter 42 bewegt.
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In
einer Superpräzisionsschleifstufe
nach dem Vorschleifvorgang werden die Stiftelemente 45 entfernt,
um das Plattenelement 44 und den zweiten Ständer 3 voneinander
zu lösen.
In diesem Zustand wird das pneumatische Stellglied 5b,
das seine Funktion im Hochdruckbereich übernimmt, angesteuert. Der
zweite Ständer 3 wird
dadurch in Richtung des ersten Ständers 2 gedrückt, wobei
durch ein Ende der Kolbenstange 5b2, die das pneumatische
Stellglied 5b bildet, Druck auf das Plattenelement 44 ausgeübt wird,
d. h., dass das Plattenelement 44 dem pneumatischen Stellglied 5b mit
einer Reaktionskraft entgegenwirkt. Das Plattenelement 44 ist
an der Mutter 42 befestigt, die durch ein Schraubengewinde
mit der Vorschubspindel 41 verbunden ist. Daher ist das Plattenelement 44 in
der Lage, eine Reaktionskraft aufzubringen, die ausreichend groß ist, um
den zweiten Ständer 3 herauszudrücken. Im
Superpräzisionsschleifvorgang
wird das pneumatische Stellglied 5a als das nächste Stellglied
ausgewählt,
das nach dem stufenweise durchgeführten Konstantdruckschleifvorgang
im Hochdruckbereich verwendet werden soll, um einen stufenweise
durchzuführenden
Konstantdruckschleifvorgang in der gleichen Weise durchzuführen wie
beim Schleifvorgang im Niederdruckbereich.
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Aus 3,
die eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in 2 darstellt,
ist zu ersehen, dass der zweite Ständer 3 in Vorwärtsrichtung
gedrückt werden
kann, während
eine der Kolbenstangen 5a2 und 5b2 der pneumatischen
Stellglieder 5a und 5b eine Reaktionskraft von
dem Plattenelement 44 aufnimmt.
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Aus 4,
die eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in 2 darstellt,
ist zu ersehen, dass der zweite Ständer 3 (der Bereich 32)
und das Plattenelement 44, an dem die Mutter 42 befestigt
ist, durch die Stiftelemente 45, 45 lösbar miteinander verbunden
sind.
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5 zeigt
eine Ausführungsform
der Haltungssteuerungsvorrichtung 7, und 6 zeigt
eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI in 5.
Die Haltungssteuerungsvorrichtung 7 weist einen Rahmen
auf, der an seiner Oberseite offen ist und durch ein erstes Flachplattenelement 71 und
Seitenwände 711 gebildet
wird. Dieser Rahmen kann beispielsweise aus einem SUS-Material gefertigt
sein. Ein zweites Flachplattenelement 72 ist zwischen Paaren
der Seitenwände 711, 711 eingestellt,
die einander zugewandt sind, wobei die zweiten Stellglieder 75, 75 zwischen
dem zweiten Flachplattenelement 72 und der Seitenwand 711 angeordnet
sind. Eine geeignete Beabstandung L ist zwischen dem ersten Flachplattenelement 71 und
dem zweiten Flachplattenelement 72 angeordnet. Die Beabstandung
L ist groß genug,
um zu verhindern, dass das erste Flachplattenelement 71 und
das zweite Flachplattenelement 72 einander stören, selbst
wenn das zweite Flachplattenelement 72 geneigt ist. In
der dargestellten Ausführungsform sind
eine Mehrzahl von Federn 77, 77, ... zwischen der
Seitenwand 711 und dem zweiten Flachplattenelement 72 sowie
dem zweiten Stellglied 75 angeordnet, um das zweiten Flachplattenelement 72 in
der X-Y-Ebene zu
behalten.
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Jedes
zweite Stellglied 75 wird durch ein axiales Element 75c mit
passender Steifigkeit, ein supermagnetostriktives Element 75a und
ein piezoelektrisches Element 75b gebildet. Das supermagnetostriktive
Element 75a wird durch Passen einer Spule (nicht gezeigt)
um ein Element herum konstruiert und ist durch ein Magnetfeld, das
entsteht, indem bewirkt wird, dass ein Strom durch die Spule hindurchfließt, erweiterbar.
Das piezoelektrische Element 75b ist ebenfalls durch Anlegen
einer Spannung an dasselbe erweiterbar. Ferner kann an das supermagnetostriktive
Element 75a oder das piezoelektrische Element 75b ein
geeigneter Strom oder eine geeignete Spannung gemäß den Informationen über die
Position eines montierten Objekts (z. B. der Drehvorrichtung etc.),
die mit einem Erfassungssensor (nicht gezeigt) erfasst wird, angelegt
werden. Das supermagnetostriktive Element 75a und das piezoelektrische Element 75b kann
in Bezug auf die Bearbeitungsstufen selektiv davon abhängig betrieben
werden, ob die Notwendigkeit besteht oder nicht, das zweite Flachplattenelement 72 um
einen verhältnismäßig deutlichen
Betrag zu bewegen. Das supermagnetostriktive Element 75a kann
auf einer Legierung aus einem Seltenerdmetall wie Dysprosium oder
Terbium und Eisen oder Nickel gebildet sein, wie es bei dem im Stand
der Technik der Fall ist. Das piezoelektrische Element 75b kann
aus Bleizirkonat-Titanat
(Pb(Zr, Ti)O3), Bariumtitanat (BaTiO3), Bleititanat (PbTiO3) oder
dergleichen gebildet sein.
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In
einem Fall, in dem die Haltungssteuerungsvorrichtung 7 beispielsweise
auf dem ersten Ständer 2 montiert
ist, werden die zweiten Stellglieder 75, 75 betätigt, wenn
das zweite Flachplattenelement 72 entlang der X-Y-Ebene
(horizontalen Richtung) verschoben werden soll, und die ersten Stellglieder 76, 76 werden
betätigt,
wenn das zweiten Flachplattenelement 72 in der Z-Richtung
(vertikalen Richtung) verschoben werden soll. Das erste Stellglied 76 wird
jeweils durch ein axiales Element 76c, das eine geeignete
Steifigkeit aufweist, ein supermagnetostriktives Element 76a und
ein piezoelektrisches Element 76b gebildet, wie es bei
dem zweiten Stellglied 75 der Fall ist.
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Ein
kugelförmiges
Element 73 ist zwischen dem Flachplattenelement 71 und
dem zweiten Flachplattenelement 72 sowie den ersten Stellgliedern 76, 76 angeordnet. 7 zeigt
eine Detailansicht eines kugelförmigen
Elements 73.
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Das
kugelförmige
Element 73 wird durch einen kugelförmigen Kern 73a gebildet,
der z. B. aus einem Metall gefertigt ist, und einer Schicht 73b,
die auf dem Umfang des Kerns 73a vorgesehen und z. B. aus
Graphit gefertigt ist. Ferner ist eine aus einem Klebstoff 74 gebildete
Schicht 74, die bei normalen Temperaturen zu einer elastischen
Verformung fähig ist,
auf der äußeren Umfangsoberfläche der
Schicht 73b ausgebildet. Als der Klebstoff 74 kann
ein Klebstoff mit einer Scherzugfestigkeit von 10 bis 15 Mpa, einem
Dämpfungskoeffizienten
von 2 bis 7 Mpa × sec,
vorzugsweise 4.5 Mpa × sec
und einer Federkonstante von 80 bis 130 GN/m, vorzugsweise 100 GN/m
(elastischer Klebstoff auf Epoxidbasis) verwendet werden. Die Dicke
der Klebstoffschicht kann bei etwa 0,2 mm angesetzt werden.
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Als
Bereiche des ersten Flachplattenelements 71 und des zweiten
Flachplattenelements 72, die mit dem kugelförmigen Element 73 in
Kontakt gebracht werden wollen, sind Ausnehmungen 71a und 72a ausgebildet.
Bereiche des kugelförmigen
Elements 73 sind in die Ausnehmungen 71a und 72a eingepasst,
um das kugelförmige
Element 73 zu positionieren. Der Klebstoff 74,
der als Schicht auf der äußeren Umfangsoberfläche des
kugelförmigen
Elements 73 ausgebildet ist, haftet an den Oberflächen in
den Ausnehmungen 21a und 22a, ist jedoch von dem
kugelförmigen
Element 73 (der Schicht 73b, die das kugelförmige Element 73 ausbildet)
getrennt, so dass das kugelförmige
Element 73 in der Schicht des Klebstoffs 74 frei
gedreht werden kann.
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Wenn
die Haltung der Drehvorrichtung 6a durch Betätigen der
ersten Stellglieder 76 und der zweiten Stellglieder 75 in
einem Zustand gesteuert wird, in dem die Drehvorrichtung 6a auf
dem zweiten Flachplattenelement 72 befestigt ist, wird
die aus dem Klebstoff 74 gebildete Schicht elastisch verformt,
um eine dreidimensionale freie Verschiebung des zweiten Flachplattenelements 72 zu
ermöglichen.
Zu diesem Zeitpunkt stützt
der Kern 73a, der das kugelförmige Element 73 ausbildet,
das Gewicht der Drehvorrichtung 6a, dreht sich jedoch nur
an der feststehenden Position, ohne sich die Schicht aus Klebstoff 74 auf
deren äußerer Umfangsoberfläche einschränkend auszuwirken.
Das kugelförmige
Element 73 unterstützt
lediglich das Gewicht der Drehvorrichtung 6a in dessen
wesentlicher Funktion, und das kugelförmige Element 73 und
der Klebstoff 74 haften nicht aneinander. Somit kann sich
der Klebstoff 74 entsprechend der Verschiebung des zweiten Flachplattenelements 72 frei
elastisch verformen, ohne durch das kugelförmige Element 73 eine
Einschränkung
zu erfahren. Somit nimmt das zweite Flachplattenelement 72 nur
einen extrem geringen Betrag an Einschränkung auf, der einer Reaktionskraft
bei einer elastischen Verformung des Klebstoffs 74 entspricht.
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Das
Verfahren zur Präzisionsbearbeitung
an einem zu schleifenden Objekt unter Verwendung der vorstehend
beschriebenen Präzisionsbearbeitungsvorrichtung 1 wird
nur in groben Umrissen dargestellt.
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Bei
dem Verfahren zum Schleifen eines zu schleifenden Objekts (Präzisionsbearbeitungsverfahren)
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird en Vorgang vom Vorschleifen bis zum abschließenden Superpräzisionsschleifen
unter Verwendung von ausschließlich
der Präzisionsbearbeitungsvorrichtung 1 in
konsistenter Weise durch den gesamten Prozess hindurch ausgeführt. Der
Vorschleifvorgang wird zuerst an dem zu schleifenden Objekt unter
Verwendung einer Diamantschleifscheibe als die Schleifscheibe b
ausgeführt,
während
der zweite Ständer 3 (Drehvorrichtung 6b)
um einen vorbestimmten Betrag mittels des Vorschubspindelmechanismus 4 bewegt
wird, wodurch ein mittelgradig zu schleifendes Objekt (erster Schritt)
gebildet wird. In dieser Vorschleifstufe werden die Positionen der Schleifscheibe
b und des zu schleifenden Objekts a erfasst. Wenn eine Fehlausrichtung
zwischen der Achse der Schleifscheibe b und der Achse des zu schleifenden
Objekts a vorliegt, werden die Positionen durch die Haltungssteuerungsvorrichtung 7 korrigiert.
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Danach
wird die Schleifscheibe b von der Diamantschleifscheibe durch eine
CMG-Schleifscheibe ausgewechselt. Das pneumatische Stellglied 5b wird dann
betätigt,
um die CMG-Schleifscheibe in Richtung des zu schleifenden Objekts
zu betätigen,
während
der konstante Druck in dem verhältnismäßig hohen
Druckbereich schrittweise geändert
werden. In einer abschließenden
Stufe des Schleifvorgangs wird das pneumatische Stellglied 5a ausgewählt und
ein abschließender
Schleifvorgang an dem zu schleifenden Objekt ausgeführt, während der
konstante Druck ebenfalls im Niederdruckbereich schrittweise geändert wird.
In der Superpräzisionsschleifstufe
werden die Positionen der Schleifscheibe b und des zu schleifenden
Objekts durchweg erfasst. Wenn eine Fehlausrichtung zwischen der
Achse der Schleifscheibe b und der Achse des zu schleifenden Objekts a
vorliegt, werden die Positionen durch die Haltungssteuerungsvorrichtung 7 korrigiert.
Durch das vorstehend beschriebene CMG-Bearbeitungsverfahren wurde die Werkzeugspitze,
die einen Ebenheitsgrad von 10 bis 20 nm/inch [inch = 2,54 cm] aufweist,
erhalten.
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Die
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
ausführlich
beschrieben worden. Der konkrete Aufbau der Erfindung ist jedoch
nicht auf die Ausführungsformen
beschränkt.
Der Schutzbereich der Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche definiert.