JP2010151255A - スピンドルアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】ベアリング剛性を高める方を優先するかエア消費流量を優先させるかに応じて、エア供給様式が変更されるエアスピンドルを提供する。
【解決手段】スピンドルハウジング（４８）には少なくとも２個のエア供給路（６５）が配設されており、ベアリングシャフト（５０）に配設される複数個のベアリング領域（５８）の幾つかはエア供給路（６５）の一方に接続され、複数個のベアリング領域（５８）の他の幾つかはエア供給路（６５）の他方に接続されている。エア供給路（６５）の各々は夫々別個の連通制御弁手段（５５）を介して圧縮エア供給源（５６）に接続されている
【選択図】図２

Description

本発明は、切削ブレード等の回転加工工具が装着されるスピンドルが回転可能に支持されているスピンドルアセンブリに関する。

半導体デバイス製造工程においては、半導体ウェーハや矩形基板等の種々の被加工物は切削装置にて各デバイスに分割される。一般的に、切削装置に使用されるスピンドルアセンブリには、切削ブレードを先端に装着されたスピンドルがエアベアリングで回転可能に支持される構造が広く採用されている。具体的にはスピンドルアセンブリは、下記特許文献１に開示されているように、スピンドルハウジングと、スピンドルハウジング内に収容された円筒状ベアリングシャフトと、ベアリングシャフト内に挿入されたスピンドルとを具備している。ベアリングシャフトには軸線方向に間隔をおいて複数個のベアリング領域が配置されており、ベアリング領域の各々においてベアリングシャフトの外周面からその内周面まで延びる貫通噴射孔が周方向に間隔をおいて形成されている。かかる貫通噴射孔の各々からエアが噴射され切削ブレードを先端に有したスピンドルが回転可能に支持されている。

被加工物の切削加工において、金属や厚みのあるガラス等の高負荷加工時にはスピンドルアセンブリの特にラジアル方向に高い負荷がかかる。そのため、ラジアル方向のベアリング剛性を上げた高剛性様式のスピンドルアセンブリにて加工を行う必要がある。一方で、シリコン等の半導体ウェーハや薄い被加工物の加工などの低負荷で加工が出来るものにおいては、ラジアル方向にかかる負荷も低くなるため、ラジアル方向のベアリング剛性はそれほど必要にならないため低剛性様式で充分に切削加工が行うことができる。

ラジアル方向のベアリング剛性を高めるためには、ベアリングシャフトにおけるベアリング領域の個数を増やすことが必要であるが、ベアリング領域の個数を増やすと供給される圧縮エアも必然的に増加する。
特開2004-340241号公報

一方、量産工場においては他品種の被加工物を入れ替わりで加工することが行われており、その状況により高剛性様式と標準様式のスピンドルアセンブリを交互に使用したいという要請がある。特に少量で且つ他品種の製品を入れ替わりで１台の切削装置にて加工を行いたい場合、低剛性様式では高負荷の被加工物が加工できないため、高剛性様式のスピンドルアセンブリを備えた切削装置で全ての被加工物を加工することになる。高剛性様式においては上述のように低剛性様式のスピンドルアセンブリと比較してエア消費流量が増大してしまう。そのため、低負荷で加工可能な被加工物を加工する場合には圧縮エアを無駄に消費することになってしまう。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その技術的課題は、被加工物に応じて選択的にスピンドルアセンブリのラジアル方向のベアリング剛性を高剛性様式に設定し、或いは、圧縮エア消費量を低減させるためにスピンドルアセンブリのラジアル方向のベアリング剛性を低剛性様式に設定することができる新規且つ改良されたスピンドルアセンブリを提供することである。

本発明によれば、上記技術的課題を達成するスピンドルアセンブリとして、スピンドルハウジングと、該スピンドルハウジング内に収容された円筒状ベアリングシャフトと、該ベアリングシャフト内に挿入されたスピンドルとを具備し、該ベアリングシャフトには軸線方向に間隔をおいて複数個のベアリング領域が配置されており、該ベアリング領域の各々において該ベアリングシャフトにはその外周面からその内周面まで延びる貫通噴射孔が周方向に間隔をおいて複数個形成されているスピンドルアセンブリにおいて、
該スピンドルハウジングには少なくとも２個のエア供給路が配設されており、該複数個のベアリング領域の幾つかに形成された貫通噴射孔は該エア供給路の一方に接続され、該複数個の該ベアリング領域の他の幾つかに形成された貫通噴射孔は該エア供給路の他方に接続され、該エアベアリング供給路の各々は夫々別個の連通制御弁手段を介して圧縮エア源に接続されている、ことを特徴とするスピンドルアセンブリが提供される。

軸線方向両端部に位置するベアリング領域が該エア供給路の該一方に接続され、軸線方向中央部に位置するベアリング領域が該エア供給路の該他方に接続されていることが好適である。また、圧縮エア源から供給される圧縮エア圧を検出するエア圧検出手段が配設されており、エア圧検出手段が検出するエア圧に応じて連通制御弁手段の開閉が制御されることが好適である。

被加工物に応じて選択的にスピンドルアセンブリのラジアル方向のベアリング剛性を高剛性に設定し、或いは、圧縮エア消費量を低減させるためにスピンドルアセンブリのラジアル方向のベアリング剛性を低剛性に設定することができる。そのため、１台の切削装置において、エアスピンドルの使用状況、使用目的に合わせてエア消費量が調節できるため省エネも図れる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明実施形態に係るスピンドルアセンブリを具備した切削装置２の要部斜視図を示している。図１に示す切削装置２は、切削対象の被加工物を上面に保持するチャックテーブル４と、被加工物を切削する切削手段６と、チャックテーブル４をＸ軸方向に駆動するＸ軸送り手段８と、切削手段６をＹ軸方向に駆動するＹ軸送り手段１０と、切削手段６をＺ軸方向に駆動するＺ軸送り手段１２とを備えている。切削手段６は、スピンドルアセンブリ１４と、このスピンドルアセンブリ１４にマウント５４を介して取り付けられる切削ブレード１６とを備えている。

Ｘ軸送り手段８は、Ｘ軸方向の軸心を有するボールネジ２２と、ボールネジ２２に平行に配設された一対のガイドレール２４と、ボールネジ２２の一端に連結されたモータ２６と、図示しない内部のナットがボールネジ２２に螺合すると共に下部がガイドレール２４に摺接するスライド部２８と、スライド部２８に固定されチャックテーブル４を所望角度回転させるパルスモータを内部に備えた回転駆動部３０とから構成される。モータ２６に駆動されてボールネジ２２が回動するのに伴い、スライド部２８がガイドレール２４上をＸ軸方向に摺動し、これに伴いチャックテーブル４もＸ軸方向に移動する構成となっている。

Ｙ軸送り手段１０は、Ｙ軸方向の軸心を有するボールネジ３２と、ボールネジ３２に平行に配設された一対のガイドレール３４と、ボールネジ３２の一端に連結されたパルスモータ３６と、図示しない内部のナットがボールネジ３２に螺合すると共に下部がガイドレール３４に摺接するスライド部３８とから構成される。パルスモータ３６に駆動されてボールネジ３２が回動するのに伴い、スライド部３８がガイドレール３４上をＹ軸方向に摺動し、これに伴い切削手段６もＹ軸方向に移動する構成となっている。

Ｚ軸送り手段１２は、Ｚ軸方向の軸心を有するボールネジ４０と、ボールネジ４０に平行に配設された一対のガイドレール４２と、ボールネジ４０の一端に連結されたパルスモータ４４と、図示しない内部のナットがボールネジ４０に螺合すると共に側部がガイドレール４２に摺接し切削手段６を支持する支持部４６とから構成される。パルスモータ４４に駆動されてボールネジ４０が回動するのに伴い支持部４６がガイドレール４０にガイドされてＺ軸方向に昇降し、これに伴い切削手段６もＺ軸方向に昇降する構成となっている。

本発明に係るスピンドルアセンブリ１４について図２乃至図４を参照して詳細を説明する。図２はスピンドルアセンブリ１４の軸線方向断面図であり、図３は図２のA-A面での断面図であり、図４は要部軸線方向断面図である。スピンドルアセンブリ１４は円筒状のスピンドルハウジング４８と、スピンドルハウジング４８内に焼きばめ等で圧入されたベアリングシャフト５０と、ベアリングシャフト５０の内周部に挿入されたスピンドル５２とから構成される。スピンドル５２の前端部はスピンドルハウジング４８から突出しており、かかる前端部には切削ブレード１６がマウント５４を介して装着されている。スピンドル５２の後端部にはモータ４３（図１参照）が連結されている。さらに、圧縮エア供給源５６からスピンドルアセンブリ１４内の後述するエア供給路６５a、６５bまでは配管５３で連結されており、配管５３にはエア供給路６５a、６５bに供給されるエア圧力を検知するセンサ５１が配設されている。また配管５３はセンサ５１の下流側で分岐され、エア供給路６５a、６５bの夫々に連結する前に連通制御弁手段５５a、５５bが配設されている。連通制御弁手段５５a、５５bは電磁弁等の切り替えバルブで構成されている。制御手段５７により各連通制御弁手段５５の開閉が制御される。

ベアリングシャフト５０には、図４に図示するように、軸線方向に適宜の間隔をおいて複数個のベアリング領域５８a、５８b、５８c、５８d、５８e、５８f、５８g、５８hが配設されている。そして、ベアリング領域５８a、５８b、５８c、５８d、５８e、５８f、５８g、５８hの各々において、ベアリングシャフト５０には図３に図示するように等間隔をおいて形成されベアリングシャフト５０の外周面から内周面まで延びる複数個の貫通穴６２が形成されている。かかる貫通穴６２の各々にはオリフィスピン６４が挿入されている。オリフィスピン６４の各々に形成されている貫通オリフィス孔は圧縮エアを噴射するための貫通噴射孔６３を構成する。貫通オリフィス孔即ち貫通噴射孔６３の開口径は例えば０．１５mmである。図３に示すように、図示の実施形態においては、一つのベアリング領域５８内には８個の貫通噴射孔６３を有している。

図２及び図３を参照して説明を続けると、スピンドルハウジング４８には、圧縮エア供給源５６からの圧縮エアが供給される２個のエア供給路６５a、６５bが形成されている。エア供給路６５a、６５bは、軸方向供給路６４a及び６４ｂと、軸方向供給路６４a、６４b各々から幾つかのベアリング領域５８へ分岐する分岐路６６と、ベアリング領域５８の複数個の貫通穴６２全てに連通した環状エア供給路６０とで構成されている。かかる環状エア供給路６０は、スピンドルハウジング４８の内壁面に形成された環状溝であり、各ベアリング領域５８の外周を囲繞している。

更に、ベアリングシャフト５０の内壁面には軸線方向に間隔をおいて周方向に連続して延在する複数個の環状排気溝６７が形成されている。これらの環状排気溝６７は上記ベアリング領域５８に対して軸線方向に変位されている。各環状排気溝６７はベアリングシャフト５０に形成されている排気路（図示していない）を介して大気に連通している。圧縮エア供給源５６から、軸方向供給路６４、分岐路６６、環状エア供給路６０、貫通穴６２とを介し貫通噴射孔６３から圧縮エアが噴射され、シャフト５０の内壁とスピンドル５２の間を流れ環状排気溝６７、排気路を介して圧縮エアはスピンドルアセンブリ１４の外部へ排気される。貫通噴射孔６３から噴射される圧縮エアにより図２および図３に示すように、スピンドル５２とベアリングシャフト５０の内壁との間にラジアルエアベアリング６８が形成され、スピンドル５２は回転可能に支持される。

本実施形態においては図２及び図４に示すように、ベアリング領域５８は５８a、５８b、５８ｃ、５８ｄ、５８e、５８ｆ、５８ｇ、５８ｈの８個配置され、エア供給路６５a、６５bの２個形成されている。一方のエア供給路６５aは、ベアリングシャフト５０の軸線方向両端部に位置する４つのベアリング領域５８a、５８b、５８g、及び５８hに跨って連通して形成されており、他方のエア供給路６５bは軸線方向中央部に位置する４つのベアリング領域５８c、５８d、５８e、５８f、に連通して形成されている。連通制御弁手段５５aのみが開いている場合、一方のエア供給路６５aに圧縮エアが供給されベアリングシャフト５０の軸線方向両端部に位置する４つのベアリング領域５８a、５８b、５８g、及び５８hでスピンドル５２は支持される（以降、低剛性様式と称する）。また、連通制御弁手段５５a及び５５bが開いている場合、エア供給路６５a及び６５bの両方に圧縮エアが供給され全てのベアリング領域５８でスピンドル５２は支持される（以降、高剛性様式と称する）。

スピンドル５２は、一体的に形成されたスラストプレート７０を有している。ベアリングシャフト５０には、このスラストプレート７０を挟んで半径方向に伸長する複数の分岐路７２と、各分岐路７２に連通した環状供給路７４が形成されている。各環状供給路７４に連通して軸方向にスラストプレート７０に向かって伸長する複数の軸方向貫通穴７６が形成されている。各軸方向貫通穴７６中には所定の開口径を有するオリフィスピン７８が挿入されている。

図２を参照して説明を続ける。スピンドルハウジング４８には、ラジアルエアベアリング６８を形成するエア供給路６５a及び６５bとは別経路で圧縮エア供給源５６から圧縮エアが供給されるスラストエアベアリング８０用のエア供給路７１が形成されている。エア供給路７１は前述の複数の分岐路７２に連通しており、エア供給路７１からの圧縮エアは、分岐路７２、環状供給路７４、軸方向貫通穴７６及びオリフィスピン７８を介してスラストプレート７０の両側に供給され、スラストエアベアリング８０を形成する。

続いて、上述のように構成されたスピンドルアセンブリ１４の作動について説明する。切削時においては、切削ブレード１６を装着されたスピンドル５２がラジアルエアベアリング６８及びスラストエアベアリング８０によって支持され、モータ４３により高速回転され切削が行われる。厚みがあるガラスや金属等の加工時のような加工負荷が高い場合や高精度が要求される加工の場合においては、エア供給路６５a、６５bの両方に圧縮エアが供給されるように連通制御弁手段５５a及び５５bを開に切り替えられる。全てのベアリング領域５８から圧縮エアが噴射され８個のベアリング領域でスピンドル５２は支持され（この様式を高剛性様式と呼ぶ。）、加工負荷が高い加工時や高精度が要求される加工時においても、安定した加工を行うことができる。

一方で、シリコンウェーハや薄い被加工物の加工のような加工負荷が低い場合には、ラジアル方向の負荷も比較的低いことから、前述のエア供給路６５aにのみ圧縮エアが供給されるように連通制御弁手段５５bを閉に切り替えられる。その結果、軸線方向両端部に位置する４個のベアリング領域５８a、５８b、５８g、及び５８hから圧縮エアが噴射され、スピンドル５２は４個のラジアルエアベアリング６８で支持される（この様式を低剛性様式と呼ぶ）。従って、前述の高剛性様式と比較して圧縮エアの消費流量を抑えることができる。

表１には、本実施形態で構成されたスピンドルアセンブリ１４の低剛性様式及び高剛性様式の２つの様式における、使用するベアリング領域数、ベアリング剛性（給気圧０．３ＭＰa及び０．５ＭＰaの場合）、及びスピンドルアセンブリ１４に供給される給気圧が０．５ＭＰaの際の消費エア流量を示す。ここでのベアリング剛性は、ラジアル方向のベアリング剛性であり、例えば低剛性様式におけるベアリング剛性は、次のように測定したものである。軸線方向両端部に位置する４つのベアリング領域５８a、５８b、５８g、及び５８hに圧縮エアを供給し４個のベアリング領域で支持された状態で、スピンドル５２の先端部分の下側に電気マイクロ（変位測定器）をセットし、電気マイクロの秤でスピンドル５２の先端部分を持ち上げ、先端部分が１μｍ変位した際の力（Ｎ）を測定した。

表１に示すように、エア給気圧が０．５ＭＰaで供給されている状況で、低剛性様式の場合のエアは４０L/min消費しベアリング剛性は２８．８N/umであるが、高剛性様式の場合には、エアは６０L/min消費しベアリング剛性は３３．５N/umとなり、エアの消費量に応じてベアリング剛性が上昇することを示している。

本発明の実施形態においては更に、スピンドルアセンブリ１４内に供給されるエア圧をセンサ５１で検知する機構にすることにより下記の効果を奏する。量産工場等においては、切削装置は多数が１つの圧縮エア供給源５６に並列して供給されることが多々ある。このような場合、切削装置の稼働率により個々の切削装置に供給されるエア圧が変化してしまう。稼働率が上昇すると各切削装置に供給される圧縮エア圧が低下して、ベアリング剛性が低下してしまうという問題がある。このような問題に対して本発明の実施形態のスピンドルアセンブリ１４においては、センサ５１にてスピンドルアセンブリ１４に供給される給気圧が検知され、供給される給気圧に応じて圧縮エアが供給されるベアリング領域５８の個数を変更させることでベアリング剛性の低下を防ぐことができる。具体的には、軸線方向両端部に位置する４つのベアリング領域５８a、５８b、５８g、及び５８hを使用する低剛性様式時において、給気圧があるしきい値以下になった場合には５５a及び５５bの両方の連通制御弁手段５５を開に切り替える。このようにセンサ５１の数値に対応して連通制御弁手段５５a、５５bの開閉を制御することで、外部の変動に対応して迅速に変更することができる。

例えば稼働率が６０％の場合においては１台の切削装置に圧縮エアは０．５ＭＰa給気されるが、稼働率が９０％に上昇すると圧縮エアの給気圧が０．３ＭＰaに下がってしまう。表１に示すように、０．５ＭＰaの給気圧の際に低剛性様式ではベアリング剛性が２８．８Ｎ/umであったが、稼働率が上昇し給気圧が０．３ＭＰaに下がった場合には２０．２Ｎ/umに下がり剛性が３０％ダウンしてしまう。この時のセンサ５１のしきい値を０．４ＭＰaとする。センサ５１で給気圧がしきい値以下になったことが検知されると、連通制御弁手段５５bが開きエア供給路６５bにも圧縮エアが供給される。その結果ベアリング剛性は２５．３ＭＰaまで上昇し、僅かな剛性低下に抑えることができる。その後、再び稼働率が６０％に戻り給気圧が０．４ＭＰa以上に上昇すると、連通制御弁手段５５bが閉に切り替わり、４個のベアリング領域５８のみに圧縮エアを供給され、圧縮エアを無駄に消費することを防ぐことができる。

図示の実施形態においてはスピンドルハウジング４８に２個のエア供給路を設けており、ベアリングシャフト５０に配設されたベアリング領域５８a、５８b、５８ｃ、５８ｄ、５８e、５８ｆ、５８ｇ、５８ｈを２組に分類して各々別個のエア供給路５６a、５６bに連通させているが、所望ならば、スピンドルハウジング４８に３個或いはそれ以上のエア供給路を配設しベアリングシャフト５０に配設された複数個のベアリング領域を３個或いはそれ以上の組に分類して夫々別個のエア供給路に連通させることもできる。

本発明を適用するのに適した切削装置の要部斜視図。 本発明実施形態の縦断面図。 図２のＡ−Ａ線断面図。 本発明実施形態の要部断面図。

符号の説明

２ 切削装置
６ 切削手段
１４ スピンドルアセンブリ
１６ 切削ブレード
４８ スピンドルハウジング
５０ ベアリングシャフト
５１ センサ
５５a、５５b 連通制御弁手段
５６ 圧縮エア供給源
５８a、５８b、５８c、５８d、５８e、５８f、５８g、５８h ベアリング領域
６３ 貫通噴射孔
６５a、６５b エア供給路
６８ ラジアルエアベアリング
８０ スラストエアベアリング

Claims (3)

1. スピンドルハウジングと、該スピンドルハウジング内に収容された円筒状ベアリングシャフトと、該ベアリングシャフト内に挿入されたスピンドルとを具備し、該ベアリングシャフトには軸線方向に間隔をおいて複数個のベアリング領域が配置されており、該ベアリング領域の各々において該ベアリングシャフトにはその外周面からその内周面まで延びる貫通噴射孔が周方向に間隔をおいて複数個形成されているスピンドルアセンブリにおいて、
   該スピンドルハウジングには少なくとも２個のエア供給路が配設されており、該複数個のベアリング領域の幾つかは該エア供給路の一方に接続され、該複数個の該ベアリング領域の他の幾つかは該エア供給路の他方に接続され、該エアベアリング供給路の各々は夫々別個の連通制御弁手段を介して圧縮エア源に接続されている、ことを特徴とするスピンドルアセンブリ。
2. 軸線方向両端部に位置するベアリング領域が該エア供給路の該一方に接続され、軸線方向中央部に位置するベアリング領域が該エア供給路の該他方に接続されている、請求項１に記載のスピンドルアセンブリ。
3. 該圧縮エア源から供給される圧縮エア圧を検出するエア圧検出手段が配設されており、該エア圧検出手段が検出するエア圧に応じて該連通制御弁手段の開閉が制御される、請求項１又は２記載のスピンドルアセンブリ。

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