JP2008062364A

JP2008062364A - 研削装置

Info

Publication number: JP2008062364A
Application number: JP2006245358A
Authority: JP
Inventors: Akira Hattori; 昌服部
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】ワークの形状や研削条件などによらない判定が可能であり、しかも、ドレスのタイミングを適切に判定することができる研削装置を提供する。
【解決手段】研削抵抗のワーク送り方向成分Ｆｎを測定する研削抵抗測定手段11と、モータ電流Ｉｓを測定するモータ負荷測定手段12と、測定された研削抵抗Ｆｎのプロファイルとモータ電流Ｉｓのプロファイルとを使用してその相似度を求める相似度演算手段14と、得られた相似度が所定値を超えたときに砥石2のドレス指示信号を出力するドレス指示手段15とを備えている。
【選択図】図２

Description

この発明は、研削装置、さらに詳しくは、シリコン、サファイアなどの硬脆材料セラミックスなどの表面を研削するのに好適な研削装置に関する。

ＧａＮ系を利用した白色発光ダイオード（白色ＬＥＤ）に用いるサファイアウエハ等の半導体基板には、研削工程、ラップ工程およびポリッシング工程を経て所要の鏡面仕上げが施されている。ワーク支持台を定速で送るようになされた従来の研削装置を使用した場合、サファイアウエハには研削およびラップ終了時に数μｍ程度のダメージ層が生じ、最終のポリッシング工程でこのダメージ層を除去するに際し、１μｍ当たり約１時間を要することから、ポリッシング工程がＬＥＤ生産のネックとなっている。

そこで、本発明者らは、所定位置に保持された砥石によって研削されるワークを支持するワーク支持台と、ワーク支持台をワークの被加工面と平行な方向に移動させるワーク支持台送り手段とを備えている研削装置において、ワーク支持台送り手段は、リニアモータと、リニアモータとワーク支持台とを連結してリニアモータの発生推力をワーク支持台に伝達するワイヤと、ワイヤの張力を検知する張力検出手段と、リニアモータの送り速度を検出する送り速度検出手段と、張力検出手段から得られた張力値および送り速度検出手段から得られた送り速度に基づいてリニアモータの発生推力を制御するモータ制御手段とを備えていることを特徴とする研削装置を提案した（特許文献１など）。

この種の研削装置では、砥石の切れ味が低下してくると、研削抵抗が大きくなって加工面のダメージが大きくなることから、砥石のドレスのタイミングが問題となる。ドレスに際しては、例えば、何枚研削した段階で行うというような基準で行われているが、汎用性のある基準とはなっておらず、ドレスをどのタイミングで行うかが課題になっている。

ドレスのタイミングに関しては、例えば特許文献２に、砥石を回転させるモータの負荷電流値を計測し、当該負荷電流値がある閾値を上回ったら、砥石の切れ味が悪化したと判断し、ドレスを行うようにすることが提案されている。
特開２００５−２６２４３０号公報特開２０００−２６３４３７号公報

上記特許文献２の研削装置において、ドレスタイミングを求めるために使用されている負荷電流値は、ワークの形状や切込み量によっても変わるものであり、その値だけを使用してドレスタイミングを判定することは、精度的に不十分であるという問題があった。

この発明の目的は、ワークの形状や研削条件などによらない判定が可能であり、しかも、ドレスのタイミングを適切に判定することができる研削装置を提供することにある。

この発明による研削装置は、ワークを支持するワーク支持台と、砥石軸に取り付けられてワークを研削する砥石と、ワーク支持台と砥石とを相対移動させる切込み手段とを備えている研削装置において、研削抵抗のワーク送り方向成分を測定する研削抵抗測定手段と、砥石軸を回転させるモータおよびワークを送るモータのいずれかのモータ電流またはモータ電力を測定するモータ負荷測定手段と、測定された研削抵抗のプロファイルとモータ電流またはモータ電力のプロファイルとを使用してその相似度を求める相似度演算手段と、得られた相似度が所定値を超えたときに砥石のドレスを行うように信号を出力するドレス指示手段とを備えていることを特徴とするものである。

この研削装置で研削されるワークとしては、白色ＬＥＤなどに用いられるサファイアウェーハ、ハードディスクに用いられる結晶化ガラス、シリコンウェーハ、アルミナ焼結体などの硬くて脆い材料が適している。このようなワークは、割れやすいため、早めのドレッシングが必要であり、この発明による研削装置で研削するワークとして適当である。

砥石としては、例えば、ダイヤモンド、立方晶窒化硼素などを砥粒とするメタルボンド砥石が使用される。

ワーク支持台は、例えば、真空チャックやワックスによりワークを保持するものとされる。また、ワーク支持台は、摩擦抵抗を小さくするために、例えばエアスライド装置のエアテーブル（スライドテーブル）とされることがある。

切込み手段は、例えば、砥石を支持しているスピンドル装置を移動させる砥石送り手段と、ワーク支持台を移動させるワーク支持台送り手段とからなるものとされる。

砥石送り手段は、通常、定寸送り手段とされ、例えば、研削ヘッドをヘッド送りモータによって上下方向に移動させ、砥石を位置制御してワークに接近させる構成とされる。砥石は、この定寸送り手段により、研削厚みに応じた所定位置（ワークの被加工面と垂直な方向の停止位置）に停止させられる。スピンドル装置としては、砥石軸が転がり軸受で支持されたものであってもよいが、砥石軸をアキシャル方向に非接触支持する制御型アキシャル磁気軸受、砥石軸の上下２箇所をラジアル方向に非接触支持する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受、砥石軸のアキシャル方向の位置およびラジアル方向の位置を検出するためのセンサユニット、アキシャル方向の位置の検出結果に基づいてアキシャル磁気軸受の電磁石を制御するアキシャルコントローラ、ラジアル方向の位置の検出結果に基づいて各ラジアル磁気軸受の電磁石を制御するラジアルコントローラなどから構成される５軸制御型の磁気軸受スピンドルを使用することもできる。ワーク支持台送り手段は、好ましくは、リニアモータとされる。このようにすると、ワーク支持台を移動させる推力を微小（例えば２Ｎ以下）とすることができ、リニアモータの駆動電流を制御することで送り速度が超低速（例えば数ｍｍ／ｓ程度または１ｍｍ／ｓ以下）でもスムーズな送りを実現することができ、さらに、送り方向の力の変化すなわち加工抵抗の変化をその電流値変化でとらえることができる。ワーク支持台の送り速度（切込み量）は、一定でもよく、例えばワークの研削長さに応じて変化させてもよい。

研削抵抗は、例えば、動力計などで検出することができ、また、切込み時の負荷（例えば、ワーク支持台を送るリニアモータの推力など）を使用して求めることができる。モータ負荷測定手段は、一般的には、モータ電流を測定するものとされるが、モータ電力を測定するものであってもよい。

ここで、モータ電流は、砥石軸を回転させるモータ（例えば、永久磁石同期モータで速度制御がなされているもの）のモータ電流であってもよく、ワーク（またはワーク支持台）を送るモータ（例えば、リニアモータ）のモータ電流であってもよい。いずれのモータでも、研削負荷（抵抗）によってモータ電流が変動するので、この変動をモニタリングすることで、研削負荷（抵抗）に対応する指標を得ることができる。

研削抵抗測定手段およびモータ負荷測定手段は、瞬間値を測定するものではなく、時間または位置の変化にしたがってその値が変化する様子（プロファイル）を求めるものとされ、こうして得られたプロファイル間の相似度が比較される。研削抵抗およびモータ電流の基準となるプロファイルは、例えば、ドレス直後のものとされ、ドレスが行われるごとに基準となるプロファイルが変更される。研削抵抗およびモータ電流の基準となるプロファイルは、計算で求めることもでき、適正なプロファイルを予め求めておいて、常にこのプロファイルを使用するようにしてもよい。プロファイル間の相似度を求めるには、基準となるモータ電流とワーク研削時のモータ電流との相互相関係数、ワーク研削時のモータ電流とワーク研削時の研削抵抗との相互相関係数などが使用される。

本発明は、砥石の切れ味が十分なときはモータ電流Ｉｓ（またはモータ電力Ｗｓ）のプロファイルとワーク送り方向の研削抵抗Ｆｎのプロファイルとは概略一致し、砥石の切れ味が低下すると、いずれもその絶対値が大きくなるが、その変化の仕方が異なる（例えば、モータ電流のプロファイルには大きな変化がなく、研削抵抗のプロファイルは相対的に大きく変化するなど）という特性に着目してなされたものである。

相似度演算手段においては、ドレス直後の制御電流Ｉｓｏと研削抵抗Ｆｎｏとの相似度を示す指標であるＲ０＝Ｄ０／Ｎ０と、ドレス直後の制御電流Ｉｓｏに対するワーク研削時の制御電流Ｉｓおよび研削抵抗Ｆｎの相似度を示す指標であるＲ１＝Ｄ１／Ｎ１とを比較することにより、相似度が求められる。また、ワーク研削時のＩｓとＦｎとの相似度を示す指標であるＲｐ＝Ｄｐ／Ｎｐを比較することによっても、相似度が求められる。前者の相似度と後者の相似度とは、同時に使用してもよいが、それぞれ単独で使用しても適切なドレスタイミングを推定することができる。このドレスタイミングの推定は、ワークの形状や切込み量が変わった場合でも同じ判定基準のまま適用することができる。

この発明の研削装置によると、研削抵抗のプロファイルとモータ電流またはモータ電力のプロファイルとを使用してその相似度を求めることにより、研削抵抗またはモータ電流が所定値に達した場合を判定基準とするものに比べて、ワークの形状や研削条件などによらない判定が可能であり、しかも、ドレスのタイミングを適切に判定することができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。

図１は、この発明の研削装置の１実施形態を示すもので、研削装置(1)は、例えばサファイアウェーハなどのワーク(W)を研削する砥石(2)と、ワーク(W)を真空チャック(3a)で支持するワーク支持台(3)と、ワーク支持台(3)をワーク(W)の被加工面と平行な方向に移動させるワーク支持台送り手段(4)と、砥石(2)の軸(2a)を駆動するスピンドル装置(5)と、スピンドル装置(5)したがって砥石軸(2a)をワーク(W)の被加工面と垂直な方向に移動させる砥石送り手段（図示略）と、ドレスタイミング判定手段（図２参照）(10)と、ドレスタイミング判定以外の各種の制御を行う制御手段（図示略）とを備えている。

ワーク支持台送り手段(4)は、リニアモータとされており、複数のコイルユニットからなるリニアモータ可動子(4a)と、可動子(4a)の走行軌道に沿って並べられた複数の永久磁石からなるリニアモータ固定子(4b)とを有し、リニアモータ可動子(4a)の送り速度と位置とを検出する送り速度検出手段を内蔵している。

ドレスタイミング判定手段(10)は、図２に示すように、ワーク支持台送り手段(4)に設けられて研削抵抗のワーク送り方向成分Ｆｎを測定する研削抵抗測定手段(11)と、スピンドル装置(5)に設けられてモータ電流Ｉｓ（またはモータ電力Ｗｓ）を測定するモータ負荷測定手段(12)と、基準とするドレス時のプロファイルを蓄えておくプロファイル記憶手段(13)と、測定された研削抵抗Ｆｎのプロファイルとモータ電流Ｉｓ（またはモータ電力Ｗｓ）のプロファイルとを使用してその相似度を求める相似度演算手段(14)と、得られた相似度が所定値を超えたときに砥石(2)のドレスを行うように信号を出力するドレス指示手段(15)とを備えている。

図３は、ワーク(W)が円板である場合に、研削時におけるモータ電流Ｉｓ、研削抵抗Ｆｎおよび送り速度が研削枚数が増加するに連れてどのように変化するかを横軸に位置を取って示している。

図３において、送り速度はほぼ一定に制御され、このときの研削抵抗Ｆｎは、山形となっている。これは、円板のワーク(W)を研削する場合、研削長が徐々に増加し、その後徐々に減少することに伴うもので、このように、研削抵抗Ｆｎのプロファイルは、ワーク(W)の形状により特有のものとなる。モータ電流Ｉｓは、研削初期に大きくなった後、一旦減少し、その後は研削長が長くなるにしたがって増加し、その後減少するプロファイルとなっている。

この図３の研削チャートによると、研削抵抗Ｆｎおよびモータ電流Ｉｓは、（ａ）に示すドレス直後では、ほぼ同じ形状であり、研削を重ねるに連れて、（ｂ）（ｃ）（ｄ）のように変化し、研削抵抗Ｆｎの増加量がモータ電流Ｉｓの増加量に比べて大きいため、研削抵抗Ｆｎとモータ電流Ｉｓとは、形状が大きく相違してくることが分かる。

ドレスタイミング判定手段(10)の相似度演算手段(14)には、以下の式が蓄えられている。

Ｎ０＝∫Ｉｓｏ^２（ｔ）ｄｔ
Ｄ０＝∫Ｉｓｏ（ｔ）Ｆｎｏ（ｔ）ｄｔ
Ｒ０＝Ｄ０／Ｎ０
Ｎ１＝∫Ｉｓｏ（ｔ）Ｉｓ（ｔ）ｄｔ
Ｄ１＝∫Ｉｓｏ（ｔ）Ｆｎ（ｔ）ｄｔ
Ｒ１＝Ｄ１／Ｎ１
Ｎｐ＝∫Ｉｓ^２（ｔ）ｄｔ
Ｄｐ＝∫Ｉｓ（ｔ）Ｆｎ（ｔ）ｄｔ
Ｒｐ＝Ｄｐ／Ｎｐ
ここで、Ｉｓ（ｔ）およびＦｎ（ｔ）は、研削中のモータ電流および研削抵抗を示し、Ｉｓｏ（ｔ）およびＦｎｏ（ｔ）は、ドレス直後の研削におけるＩｓ（ｔ）およびＦｎ（ｔ）を示す。

相似度演算手段(14)においては、ドレス直後の制御電流Ｉｓｏと研削抵抗Ｆｎｏとの相似度を示す指標であるＲ０＝Ｄ０／Ｎ０と、ドレス直後の制御電流Ｉｓｏに対するワーク研削時の制御電流Ｉｓおよび研削抵抗Ｆｎの相似度を示す指標であるＲ１＝Ｄ１／Ｎ１とを比較することにより、相似度が求められる。また、ワーク研削時のＩｓとＦｎとの相似度を示す指標であるＲｐ＝Ｄｐ／Ｎｐを比較することによっても、相似度が求められる。この相似度の閾値を例えば７０％というように設定しておくことで、ドレスタイミングかどうかが判定され、得られた相似度が所定値を超えたときにドレス指示信号がドレス指示手段から出力される。

図３において、例えば、モータ電流が所定値以上になったときまたは研削抵抗が所定値以上になったときをドレスタイミングとすることは可能であるが、モータ電流Ｉｓや研削抵抗Ｆｎは、ワーク(W)の形状や切込み量等でその値が変化するものであり、その値だけでの切れ味の判断は困難で、汎用性が乏しいものとなる。これに対し、相似度を使用したドレスタイミング判定手段(10)における判定は、砥石(2)の切れ味の低下を連続的に追いかけてプロファイル形状を比較するものであり、汎用性がありしかも最適なドレスタイミングの自動推定が可能となる。

図３に示すモータ電流では、短い周期で山と谷とが現れているが、これは、リニアモータ(4)でワーク(W)を送るときに、リニアモータの特性として、磁極位置により大きな磁束分布のムラがあるため、大きな推力ムラ（リップル）があり、一定速度で送るときに、電流がその磁束分布の逆パターンとなるためである。電流の絶対値でドレス位置を判断する場合は、このリップルが邪魔になるが、プロファイル変化を考える場合、リップル位置は、送りに対して常に同じ位置に出るため、相似変化と全体のプロファイル変化とは明確に区別することができる。したがって、大きな推力リップルを含むモータを使用した装置においても、上記の相似度を用いたドレスタイミングの判定を適用することができる。

なお、上記のモータ電流は、砥石軸(2a)を回転させるモータの電流として説明したが、ワーク支持台送り手段(4)としてのリニアモータのモータ電流としても同様の判定を行うことができる。そして、上記のドレスタイミング判定手段(10)は、図１に示した以外の種々の研削装置に適用することができる。

図１は、この発明の研削装置の機械本体部分を模式的に示す図である。図２は、この発明の研削装置の制御系部分の要部を示すブロック図である。図３は、研削を重ねるに連れて、送り速度、研削抵抗およびモータ電流がどのように変化するかの１例を示すグラフである。

符号の説明

(1) 研削装置
(2) 砥石
(2a) 砥石軸
(3) ワーク支持台
(10) ドレスタイミング判定手段
(11) 研削抵抗測定手段
(12) モータ負荷測定手段
(14) 相似度演算手段
(15) ドレス指示手段
(W) ワーク

Claims

ワークを支持するワーク支持台と、砥石軸に取り付けられてワークを研削する砥石と、ワーク支持台と砥石とを相対移動させる切込み手段とを備えている研削装置において、
研削抵抗のワーク送り方向成分を測定する研削抵抗測定手段と、砥石軸を回転させるモータおよびワークを送るモータのいずれかのモータ電流またはモータ電力を測定するモータ負荷測定手段と、測定された研削抵抗のプロファイルとモータ電流またはモータ電力のプロファイルとを使用してその相似度を求める相似度演算手段と、得られた相似度が所定値を超えたときに砥石のドレスを行うように信号を出力するドレス指示手段とを備えていることを特徴とする研削装置。
相似度演算手段には、以下の式が蓄えられており、ドレス直後の制御電流Ｉｓｏと研削抵抗Ｆｎｏとの相似度を示す指標であるＲ０＝Ｄ０／Ｎ０と、ドレス直後の制御電流Ｉｓｏに対するワーク研削時の制御電流Ｉｓおよび研削抵抗Ｆｎの相似度を示す指標であるＲ１＝Ｄ１／Ｎ１とを比較することにより、相似度が求められている請求項１の研削装置。
Ｎ０＝∫Ｉｓｏ^２（ｔ）ｄｔ
Ｄ０＝∫Ｉｓｏ（ｔ）Ｆｎｏ（ｔ）ｄｔ
Ｒ０＝Ｄ０／Ｎ０
Ｎ１＝∫Ｉｓｏ（ｔ）Ｉｓ（ｔ）ｄｔ
Ｄ１＝∫Ｉｓｏ（ｔ）Ｆｎ（ｔ）ｄｔ
Ｒ１＝Ｄ１／Ｎ１
相似度演算手段には、以下の式が蓄えられており、ワーク研削時のＩｓとＦｎとの相似度を示す指標であるＲｐ＝Ｄｐ／Ｎｐを比較することにより、相似度が求められている請求項１または２の研削装置。
Ｎｐ＝∫Ｉｓ^２（ｔ）ｄｔ
Ｄｐ＝∫Ｉｓ（ｔ）Ｆｎ（ｔ）ｄｔ
Ｒｐ＝Ｄｐ／Ｎｐ