JP2008155287A - ワーク研削加工装置及びワーク研削加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波振動を用いたワーク研削加工装置の耐久性を飛躍的に向上させる。
【解決手段】ワーク８０を載置する加工ステージ２０と、研削工具６４，７４を回転させて加工ステージ２０上のワーク８０を研削加工する加工手段６０，７０と、を備えたワーク研削加工装置１０において、加工ステージ２０を超音波振動させる超音波振動手段３０を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンやガラスなどの脆性材料からなるワークを研削加工するワーク研削加工装置に関し、特に、超音波振動を用いた研削加工装置及びその方法に関する。

ハードディスク装置に用いられるガラス基板やシリコン等の半導体基板では、割れ・欠けを防止するため周縁部を所定形状に面取り研削加工されている。このような脆性材料からなるワークの研削加工では、ダイヤモンド等の砥粒を付着した電着砥石が使用されているが、電着砥石は砥粒が強固に付着されているため研削能力が低下した砥粒が表面に残存し自生発刃作用が生じにくく、また、切粉が砥粒間に滞留して目詰まりを起こしやすいため、研削加工抵抗の増大や研削加工時のワーク温度の上昇により、ワークにクラックや歪みが生じ易い問題がある。また、この問題を解消するため、砥石の砥粒の径を徐々に小さくし、複数段階に分けて研削加工を行う場合があるが、かかる場合、研削加工工程が長くなる問題がある。

また、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂粉末とダイヤモンド等の砥粒との混合物をプレス成形及び焼成してなるレジンボンド砥石は、砥粒が摩耗して切れ味が低下する前に砥粒を保持している樹脂が破砕して砥粒が脱落し、切粉も脱落した砥粒と共に除去されるため、上記した問題は生じない。しかしながら、レジンボンド砥石は、摩耗が激しく砥石の外形形状が変化し易いことから、所定形状に研削加工し続けることが困難であり、そのため、砥石寿命が短いという問題がある。

ところで、砥石を超音波振動させながらワークを研削加工するワーク研削加工装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このワーク研削加工装置１００は、図３に示すように、載置されたワーク１０２を回転させるワークテーブル１０４と、研削工具としての砥石１０６を回転させるとともに超音波振動させる超音波スピンドル１０８とを備え、回転しながら超音波振動する砥石１０６をワークテーブル１０４上のワーク１０２の周縁と接触させることで、ワーク１０２の周縁を研削するものである。

砥石１０６を回転させるとともに超音波振動させる超音波スピンドル１０８は、回転軸１１０を回転駆動するモータ１１２と、この回転軸１１０に同軸状に順次接続されスピンドル軸１１１を構成するスリップリング１１４、超音波振動子１１６、ブースタ１１８及びホーン１２０とを備えており、スピンドル軸１１１が軸受１２２により筐体１２４に対して回転自在に支持され、ホーン１２０の先端部に砥石１０６が接続されている。

超音波スピンドル１０８は、モータ１１２を動作させるとともに、超音波発信器１２６からブラシ１２８を介して回転するスリップリング１１４に超音波電源を印加する。スリップリング１１４に入力された電圧は超音波振動子１１６に印加されることで、超音波振動子１１６は超音波振動する。この振動は、ブースタ１１８とホーン１２０より構成される共振器を伝播することで増幅され、ホーン１２０先端部に接続された砥石１０６に伝播することで、砥石１０６を回転させるとともに超音波振動させるようになっている。

このような構成のワーク研削加工装置１００では、ワーク１０２と砥石１０６との摩擦抵抗が小さくなるとともに切粉による目詰まりを起こしにくいため、研削加工を複数段階に分けることなくクラックや歪みを抑えてワークを研削することができる。

しかしながら、スリップリング１１４に超音波電源を入力するブラシ１２８は、付勢手段により押されてスリップリング１１４に接触しているため、ガラス基板やシリコン基板などのように砥石を３０，０００〜６０，０００ｒｐｍ程度に高速回転させて研削加工を行う場合、ブラシ１２８が摩耗劣化し易く装置耐久性に問題がある。

また、例えば、中心孔が設けられた円板状のワークの外周縁及び内周縁を研削するため、砥石が取り付けられたスピンドル軸を複数備えるワーク研削加工装置があるが、このような加工装置では、高価な超音波スピンドルが複数必要となり製造コストアップになる。

また、超音波振動する砥石を固定するため、緩みを防止した機構が必要となり砥石の保持構成が複雑になるという問題がある。

さらにまた、砥石を超音波振動されるため、ホーンに接続された砥石の固有振動数に合わせて超音波発信器からの超音波電源を調整する必要があり、異なる種類の砥石に交換するのが困難である問題がある。
特開平９−１６８９４７号公報

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、超音波振動を用いた研削加工装置の耐久性を飛躍的に向上させることを目的とする。

本発明にかかるワーク研削加工装置は、ワークを載置する加工ステージと、砥石を回転させて前記加工ステージ上の前記ワークを研削加工する加工手段と、を備えたワーク研削加工装置において、前記加工ステージを超音波振動させる超音波振動手段を備えたことを特徴とする。

本発明のワーク研削加工装置では、加工ステージを超音波振動させる超音波振動手段が設けられ、加工ステージに載置されたワークが加工ステージを介して超音波振動するため、
高速回転する加工手段に超音波振動手段を配設する必要がなく、超音波振動手段の劣化を抑えワーク研削加工装置の耐久性を著しく向上させることができる。

また、加工ステージに載置されたワークが加工ステージを介して超音波振動し、砥石が超音波振動することがないため、砥石の取付機構を簡略化することができるとともに、砥石交換後に超音波電源を調整する必要がなく交換作業が簡単化することができる。

上記本発明のワーク研削加工装置は、加工手段を複数備えてもよく、加工ステージに載置されたワークが超音波振動するため、複数の加工手段それぞれに超音波振動手段を設ける必要がなく、コスト安価に製造することができる。

また、上記本発明のワーク研削加工装置において、砥石は電着砥石であることが好ましく、摩耗しにくく砥石寿命が長く経済性に優れる。

また、本発明のワーク切削加工方法は、加工ステージに載置されたワークを回転する前記研削工具に接触させて該ワークに研削加工を行うワーク研削加工方法において、前記加工ステージを超音波振動させることで前記加工ステージ上の前記ワークに超音波振動を与えながら前記研削加工を行うことを特徴とする。

上記した本発明のワーク切削加工方法では、複数の前記研削工具に接触させて前記ワークの研削加工を行ってもよく、また、前記切削工具が電着砥石であってもよい。

本発明のディスク基板の保持装置によれば、超音波振動を用いた研削加工装置の耐久性を飛躍的に向上させることができる。

以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本実施形態にかかるワーク研削加工装置１０を概略的に示す図面であり、図２はワーク８０と砥石６４，７４の位置を示すワーク研削加工装置１０の部分断面図である。

本実施形態にかかるワーク研削加工装置１０は、ハードディスク用ガラス基板などの中心孔８２を有する円板状のワーク８０の外周縁８４及び内周縁８６の面取り加工を施すものであって、ワーク８０が載置される加工ステージ２０と、加工ステージ２０を回転させるとともに超音波振動させる超音波スピンドル３０と、加工ステージ２０上に載置されたワーク８０の周縁部を研削加工する第１加工手段６０及び第２加工手段７０とを備えている。

加工ステージ２０は不図示の搬送手段により搬送される未加工のワーク８０が載置される載置面２２を備え、この載置面２２に設けられた吸引口２４がワーク８０を真空吸着することで、載置面２２上のワーク８０を所定位置に固定するようになっている。また、載置面２２の中央部には、載置面２２に載置されたワーク８０の貫通孔８２に対応して凹部２６が設けられている。

超音波振動スピンドル３０は駆動軸３２が加工ステージ２０と接続されることで加工ステージ２０を回転させるとともに超音波振動させるようになっている。

詳細には、超音波振動スピンドル３０は、回転軸３４を回転するモータ３６と、この回転軸３４に同軸状に順次接続され駆動軸３２を構成するスリップリング３８、超音波振動子４０、ブースタ４２、及びホーン４４とを備えており、駆動軸３２が軸受４６により筐体４８に対して回転自在に支持され、ホーン４４の先端部に加工ステージ２０が接続されている。

このような構成の超音波振動スピンドル３０は、モータ３６を回転させるとともに、超音波発信器５０からブラシ５２を介して回転軸３４に連動して回転するスリップリング３８に超音波電源を印加する。

スリップリング３８に入力された電圧は超音波振動子４０に印加されることで、超音波振動子４０は超音波振動する。この振動は、ブースタ４２とホーン４４より構成される共振器を伝播することで増幅され、ホーン４４の先端部に接続された加工ステージ２０に伝播することで、加工ステージ２０を回転させるとともに、超音波振動させるようになっている。

また、超音波振動スピンドル３０はスライドテーブル５４に取り付けられ水平面上を移動可能に配設されている。

第１加工手段６０は、外径スピンドル６２に回転自在に支持された砥石６４を備え、外径スピンドル６２が不図示のリニアガイドに取り付けられ上下動可能に配設されている。砥石６４は基台にダイヤモンド等の砥粒が付着した電着砥石であって、その外周部には、ワーク８０の外周縁８４と接触し研削する凹部６６が形成されている。

第２加工手段７０は、内径スピンドル７２に回転自在に支持された砥石７４を備え、内径スピンドル７２が不図示のリニアガイドに取り付けられ上下動可能に配設されている。砥石７４は基台にダイヤモンド等の砥粒が付着した電着砥石であって、その外周部がワーク８０の内周縁８６と接触し研削する研削面７６をなしている。

次に、このようなワーク研削加工装置１０を用いてワーク８０を研削加工する方法について図面を参照して説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、加工ステージ２０の載置面２２に載置されたワーク８０は、載置面２２の中央部に設けられた凹部２６とワーク８０の中心孔８２が連通した状態で吸引口２４より真空吸着されることで固定される。

次いで、外径スピンドル６２を下方に移動させて、図２（ｂ）に示すように、加工ステージ２０上に載置されたワーク８０の外方において、砥石６４の外周縁に形成された凹部６６がワーク８０の外周縁８４と所定間隔を隔てて対向するように砥石６４を移動させるとともに、内径スピンドル７２を下方に移動させることで、砥石７４の研削面７６がワーク８０の内周縁８６と所定間隔を隔てて対向するように載置面２２上のワーク８０の中心孔８２に砥石７４を挿入する。

次いで、外径スピンドル６２及び内径スピンドル７２を駆動して砥石６４，７４を回転させるとともに、超音波振動スピンドル３０を始動させ加工ステージ２０を回転させながら超音波振動させる。本実施形態において、各スピンドル６２，７２，３０の駆動条件の一例を挙げると、外径スピンドル６２及び内径スピンドル７２は、砥石６４，７４をそれぞれ６０，０００ｒｐｍ、３０，０００ｒｐｍで回転させ、超音波振動スピンドル３０は、加工ステージ２０を１００〜２００ｒｐｍで回転させながら周波数２０〜６０ＫＨｚ、振幅０．１〜２０μｍで超音波振動させる。

次いで、図２（ｃ）に示すように、スライドテーブル５４を移動させることで、加工ステージ２０上のワーク８０の外周縁８４を砥石６４の凹部６６に接触させるとともに、内周縁８６を砥石７４の研削面７６に接触させることで、ワーク８０の外周縁８４及び内周縁８６を研削して面取り加工を行う。

以上のように、本実施形態に係るワーク研削加工装置１０では、加工ステージ２０上の超音波振動スピンドル３０より発生した超音波振動が加工ステージ２０を介してワーク８０に与えられた状態で、外周縁８４及び内周縁８６を面取り研削することができる。そのため、砥石が切粉に砥粒の間に滞留しにくく砥石の目詰まりを抑えることができ、ワーク６０と砥石６４，７４との研削抵抗を小さくして加工面の熱歪みを抑えて面粗さや真円度などの加工精度が向上するとともに、砥石６４，７４の寿命が長くなる。

また、超音波振動スピンドル３０は、砥石６４，７４を回転させるスピンドル６２，７２に比べ回転数が小さいため、超音波発信器５０からの超音波電源を入力するブラシ５２がスリップリング３８との摩擦により摩耗劣化しにくくなり、ワーク研削加工装置１０の耐久性を著しく向上させることができる。

また、各加工手段６０，７０に高価な超音波振動スピンドルも用いる必要が無くなり、ワーク８０の外周縁８４及び内周縁８６の面取り加工を行うワーク研削加工装置をコスト安価に製造することができる。

また、本実施形態におけるワーク研削加工装置１０では、砥石６４，７４が超音波振動することがないため、砥石取付機構を簡略化することができるとともに、砥石交換後に超音波電源を調整する必要がなく交換作業が簡単化することができる。

更にまた、異なる種類のワーク８０を研削する場合であっても、ワーク８０の重量の変化量が加工ステージ２０の重量に比べ非常に小さいものであれば、固有振動数に合わせて超音波発信器５０からの超音波電源の調整が不要となり作業性に優れている。

なお、本実施形態のワーク研削加工装置１０は、ワーク８０の周縁部の面取り加工を行うものであるが、本発明はこれに限定されず、例えば、ワークに孔あけ加工を行う場合にも適用することができる。また、本実施形態のワーク研削加工装置１０では、研削工具として電着砥石６４，７４を用いたが、本発明はこれに限定されず、例えば、メタル砥石、レジンボンド砥石等各種の研削工具を用いることができる。

（実施例）
ワーク研削加工装置１０に取り付ける砥石として＃３２５番の電着砥石を用い、加工ステージ２０を介してハードディスク用ガラス基板に超音波振動を与えながら外周縁８４及び内周縁８６の面取り加工を行った。また、比較例として＃３２５番の電着砥石を用いてハードディスク用ガラス基板に超音波振動を与えず外周縁８４及び内周縁８６の面取り加工を行った。その結果、ガラス基板に超音波振動を与えて加工した場合の面粗さＲｍａｘが１．８７μｍ、真円度が０．８５μｍ以下であるのに対し、超音波振動を与えない場合の面粗さＲｍａｘが４．３５μｍ、真円度が３．２５μｍであり、面粗さや真円度などの加工精度が向上することがわかる。

本発明の一実施形態に係るワーク研削加工装置を概略的に示す図面である。 （ａ）〜（ｃ）はワークと砥石の位置関係を示すワーク研削加工装置の部分断面図である。 従来のワーク研削加工装置を示す図面である。

符号の説明

１０…ワーク研削加工装置
２０…加工ステージ
３０…超音波振動スピンドル
６０…第１加工手段
６４…砥石
７０…第２加工手段
７４…砥石
８０…ワーク

Claims (6)

1. ワークを載置する加工ステージと、研削工具を回転させて前記加工ステージ上の前記ワークを研削加工する加工手段と、を備えたワーク研削加工装置において、
   前記加工ステージを超音波振動させる超音波振動手段を備えたことを特徴とするワーク研削加工装置。
2. 前記加工手段を複数備えることを特徴とする請求項１に記載のワーク研削加工装置。
3. 前記研削工具が、電着砥石であることを特徴とする請求項１又は２に記載のワーク研削加工装置。
4. 加工ステージに載置されたワークを回転する前記研削工具に接触させて該ワークに研削加工を行うワーク研削加工方法において、
   前記加工ステージを超音波振動させることで前記加工ステージ上の前記ワークに超音波振動を与えながら前記研削加工を行うことを特徴とするワーク研削加工方法。
5. 複数の前記研削工具に接触させて前記ワークの研削加工を行うことを特徴とする請求項４に記載のワーク切削加工方法。
6. 前記切削工具が電着砥石であることを特徴とする請求項４又は５に記載のワーク研削加工方法。

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