JP2014104552A - 研削加工方法および研削加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 硬度が高い被加工物を高精度で研削することを可能にする技術を提供する。
【解決手段】 砥石とワークピースを回転させて前記砥石で前記ワークピースを押圧することにより前記ワークピースの表面を研削するための研削加工方法において、仕上げ加工として、前記ワークピースを継続的に研削できる第１の仕上げ加工速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送る第１の工程と、前記第１の仕上げ加工速度よりも遅い第２の仕上げ加工速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送る第２の工程とを交互に切り替える。
【選択図】図４

Description

本発明は、被加工物の表面研削などに使用される研削加工方法および研削加工装置に関し、特に、例えばサファイアのように硬度の高い被加工物に使用することが可能な研削加工方法および研削加工装置に関する。

ワークピース（被加工物）の表面を平面に研削する研削加工装置は、ワークピースの表面と砥石の表面を平行にし、それぞれ回転させながら送り機構によって砥石をワークピースに接触させることにより、ワークピースを研削する。例えば、特許文献１には、送り機構によって砥石をワークピース側に送ってワークピースを研削する研削加工装置が開示されている。この研削加工装置は、主にシリコンウェーハを被加工物とし、荒研削加工から仕上げ加工というように、送り位置に対する送り速度を制御することにより、良好な精度の研削結果を得ることを可能にしている。

特許第４３３８４５８号公報

しかしながら、ワークピースがサファイアなどの硬度が極めて高い被加工物の場合、研削加工装置の機構に弾性変形が生じるほど大きな加工力で砥石を押し当てなければワークを継続的に研削できないことがある。ここでは加工時に砥石をワークピースに押し当てる力を加工力と称し、加工時に砥石をワークピースに対して相対的に移動させる速度を加工速度と称する。

特許文献１の技術においては、仕上げ加工において加工速度を下げて加工力を弱め、ダメージ深さや面粗さ等の加工の精度を高めている。しかし、先に述べたサファイアのようなワークピースでは、加工速度を下げると、加工力が不足し、継続的な研削ができなくなることがあり、精度の高い仕上げ加工と両立することができない状況が生ずることがある。ここで継続的な研削とは、ある加工速度でワークピースを加工する場合に、砥石の自生発刃が促され、送り続ける間ワークピース面が継続的に除去減少することをいい、そうでない場合は、ワークピース面の除去減少が一定量で停止し、継続的な研削ができなくなる。

したがって、本発明の目的は、硬度が高い被加工物を高精度で継続的に研削することを可能にする技術を提供することである。

本発明の一態様による研削加工方法は、砥石とワークピースを回転させて前記砥石で前記ワークピースを押圧することにより前記ワークピースの表面を研削するための研削加工方法において、仕上げ加工として、前記ワークピースを継続的に研削できる第１の仕上げ加工速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送る第１の工程と、前記第１の仕上げ加工速度よりも遅い第２の仕上げ加工速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送る第２の工程とを交互に切り替えることを特徴としている。

本発明によれば、硬度が高い被加工物を高精度で継続的に研削することが可能となる。

本実施形態による研削加工装置における研削に関する構成を示す図である。 砥石１１とワークピース１２の位置関係を説明するための図である。 研削加工装置における制御に関する概略の構成を示すブロック図である。 仕上げ研削加工における送り速度の遷移の一例を示すグラフである。 仕上げ研削加工における送り速度の遷移の変形例を示すグラフである。 仕上げ研削加工における送り速度の遷移の変形例を示すグラフである。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態による研削加工装置における研削に関する構成を示す図である。本実施形態の研削加工装置は、一例として、ワークピース側を送り方向にを固定しておき、砥石側をそのワークピースの方向に送り移動させ、接触させることにより、ワークピースの表面を研削する装置である。

研削加工装置１は、図１に示すように、ワークピースＷの表面を研削する砥石２と、ベース部材３０と、ベース部材３０の上面に配置されたワーク支持部４０および研削加工部５０と、研削加工装置１の作動を制御する制御装置６と、を備えている。ベース部材３０の上面において、図１の右側の領域にワーク支持部４０が配置され、図１の左側の領域に研削加工部５０が配置されている。

また、本実施形態の研削加工装置１は、軸方向が横方向に配置された砥石回転軸５５の前端面に砥石２が取り付けられた横形の研削装置を示すが、本発明は縦形での実施も可能である。

ワーク支持部４０は、支持台４１と、支持台４１に設けられたワーク回転軸４２と、ワーク回転軸４２を回転させるための駆動モータ４３と、ワークピースＷを保持するチャック４４と、を備えている。

支持台４１は、ベース部材３０の上面に固定されており、支持台４１から研削加工部５０に向けてワーク回転軸４２が設けられている。ワーク回転軸４２は、支持台４１の上部に設けられた駆動モータ４３によって、ワーク回転軸４２の中心軸４２Ａ回りに回転するように構成されている。

チャック４４は、ワーク回転軸４２の前端面に設けられており、ワークピースＷを真空吸着によって保持するものである。

研削加工部５０は、固定台５１と、固定台５１に連結された送り台５２と、送り台５２を移動させるための送り駆動部５３と、送り台５２に取り付けられた支持台５４と、支持台５４に設けられた砥石回転軸５５と、砥石回転軸５５を回転させるための駆動モータ５６と、を備えている。

固定台５１は、ベース部材３０の上面に固定されている。固定台５１の上部には、送り台５２が図１の左右方向（Ｘ方向）にスライド自在に連結されている。送り駆動部５３は、送り台５２を図１の左右方向に移動させる機構である。

支持台５４は、送り台５２の上部に取り付けられており、支持台５４からワーク支持部４０に向けて砥石回転軸５５が設けられている。

砥石回転軸５５は、支持台５４の内部に設けられた駆動モータ５６によって、砥石回転軸５５の中心軸５５Ａ回りに回転するように構成されている。砥石回転軸５５の前面端には、砥石２が取り付けられている。

なお、本実施形態では砥石２側を移動させることにより、砥石２とワークピースＷとを相対的に送り移動させる例を示しているが、本発明がこれに限定されることはない。他の例として、ワークピースＷ側を移動させるものであってもよく、あるいは砥石２側とワークピースＷ側の双方を移動させるものであってもよい。

研削加工装置１の動作としては、砥石２とチャック４４に保持したワークピースＷを回転させている状態で、砥石２を送り方向においてワークピースＷに近づけるように移動させ、砥石２をワークピースＷに接触させることによりワークピースＷを研削する。

図２は、砥石２とワークピースＷの位置関係を説明するための図である。

砥石回転軸５５に取り付けられた砥石２と、チャック４４に保持されたワークピースＷとは、互いの中心軸をずらして平行に向き合っている。砥石２の端面がワークピースＷの中心Ｗ_０に接するように位置決めされている。研削加工時には、砥石２は回転しながら、所望の加工速度でワークピースＷ側に送られる。

図３は、研削加工装置１における制御に関する概略の構成を示すブロック図である。

研削加工装置１には各種センサが備えられている。このセンサの１つに、例えば、ワークピースＷの表面位置を検知する厚みセンサＳ_１がある。厚みセンサＳ_１は接触式によるものでも非接触式によるものでもよい。厚みセンサＳ_１は、チャック４４の表面位置とワークピースＷの表面位置とを検知し、そのうちのワークピースＷの表面位置を制御装置６に通知するものであってもよく、あるいはそれらの差分をワークピースＷの厚みとして制御装置６に通知するものであってもよい。

また、他のセンサとしては、砥石２の送り量を検知する送り位置検出器Ｓ_２がある。

制御装置６は、センサＳ_１，Ｓ_２からの通知を利用して、送り駆動部５３を制御し、砥石２の送り速度あるいは位置を制御することにより、ワークピースＷを所望の厚みまで研削する。その際、制御装置６は、砥石２がワークピースＷに接触するまではセンサＳ_２の送り位置検出器から通知される砥石２の送り量に基づいて送り制御を行い、ワークピースＷの研削が始まってからは厚みセンサＳ_１から通知されるワークピースＷの表面位置あるいは厚みに基づいて送り制御を行う。あるいは、全てセンサＳ_２から通知される位置に基づいて送り制御を行うこともできる。

本実施形態の制御装置６による研削加工パターンには、高速かつ高精度の研削を可能にするため、荒研削加工とその後の仕上げ研削加工とが含まれている。

まず、荒研削加工と仕上げ研削加工を含む研削加工全体の概略の流れについて説明する。

制御装置６は、まず砥石２をワークピースＷの近傍まで迅速に接近させた後、空走速度で送りを開始する。空走は、砥石２をワークピースＷに接触させるときの衝撃を緩和するための動作であり、砥石２を回転させながら、接触時にワークピースＷや砥石２にダメージを与えない程度の送り速度でワークピースＷ側に送る。

ここでは一例として、研削加工装置１は砥石回転軸５５にかかる負荷を計測する測定器を備えており、砥石２がワークピースＷに接触したことを、砥石回転軸５５にかかる負荷の変化から検知することにしてもよい。砥石回転軸５５にかかる負荷は例えば砥石駆動用の駆動モータ５６の電流によって計測することができる。

他の例として、研削加工装置は砥石回転軸５５の回転数を計測する測定器を備えており、砥石２がワークピースＷに接触したことを、砥石回転軸５５の回転数の変化から検知することにしてもよい。砥石回転軸５５の回転数は砥石駆動用の駆動モータ５６の回転数として計測することができる。

砥石２がワークピースＷに接触した時点から荒研削加工が始まる。荒研削加工が所定距離だけ、またはワークピースＷが指定の厚みになるまで進行すると、仕上げ研削加工に移行する。

仕上げ研削加工においては、本実施形態では、制御装置６は、一定の仕上げ加工速度ではなく、第１の仕上げ加工速度と第２の仕上げ加工速度とを交互に切り替えることにより、硬度の高いワークピースＷを高精度かつ継続的に研削することを可能にしている。加工目標位置までワークピースＷを研削したら、砥石２を元の位置に戻して加工を終了する。

次に、仕上げ研削加工について更に詳細に説明する。

通常、仕上げ研削加工では、ワークピースＷの厚さや表面のダメージ深さや面粗さ等で高い精度を得るために加工速度を荒加工時の速度よりも下げる。しかし、加工速度を下げると、砥石２がワークピースＷを押圧する力（加工力）が弱まり、サファイアのように硬度の高いワークピースＷでは砥石２の自生発刃が起きず継続的な研削ができない場合がある。

そこで本実施形態における仕上げ加工では、制御装置６は、ワークピースＷを継続的に研削できる速度（第１の仕上げ加工速度）で砥石２をワークピースＷ側に送る第１の工程と、第１の仕上げ加工速度よりも遅い速度（第２の仕上げ加工速度）で砥石２をワークピースＷ側に送る第２の工程とを交互に切り替える。第２の仕上げ加工速度は、前記高い精度を得るために荒加工時の荒加工速度よりも遅い速度に設定されているものであり、この第２の仕上げ加工速度ではワークピースＷを継続的に研削できなくてもよい。よって、第２の仕上げ加工速度は、継続的に研削できない加工速度を含むものである。そして、厚みセンサＳ_１で検知されるワークピースＷの厚みに基づく判断により、ワークピースＷの研削が加工目標位置まで達したら、制御装置６は送り駆動部５３を制御し仕上げ研削加工を終了する。

本実施形態によれば、仕上げ加工において、第１の仕上げ加工速度で砥石２をワークピースＷ側に送ることにより大きな加工力を一時的に加えて砥石２の自生発刃を促し、それによって研削が可能な状態となった砥石２を低速の第２の仕上げ加工速度で送ることにより高精度でワークピースＷを研削するというという動作を繰り返すので、硬度の高いワークピースＷに対しても高精度の研削を継続的に行うことができる。

なお、本実施形態では、仕上げ加工において加工速度を交互に切り替える動作を終了するタイミングについて様々な態様を採用することができる。一例として、制御装置６は、ワークピースＷの表面位置が加工目標位置、または加工目標位置から所定距離だけ手前の位置に達した時点で、加工速度を交互に切り替える動作を終了することにしてもよい。

他の例として、制御装置６は、第２の工程でワークピースＷの研削を進めることができる距離（仕上げ加工研削進行距離）を推定し、第２の工程を開始した位置と加工目標位置との距離が、仕上げ加工研削進行距離以下であったら、加工速度を交互に切り替える動作を終了することにしてもよい。これによれば、再び加工速度を上げなくても目標加工位置までの研削が可能となった時点で加工速度の切り替えを終了して目標加工位置まで研削するので、必要以上に切り替え動作をせずに高精度で仕上げ加工を完了させることができる。

さらに他の例として、制御装置６は、加工速度を交互に切り替える動作を所定回数だけ行うことにしてもよい。切り替え回数を予め適切に設定しておくことにより、高精度の仕上げ加工を容易な制御で行うことが可能となる。

図４は、仕上げ研削加工における送り速度の遷移の一例を示すグラフである。図４（Ａ）は、従来通り加工速度を変化させない場合を示す比較例であり、図４（Ｂ）は、本実施形態により加工速度を切り替える場合を示す例である。

図４（Ａ）の比較例を参照すると、加工速度を下げて仕上げ研削加工に入ると自生発刃が起こらなくなり、ワークピースＷの研削が進まなくなっている。その際、加工力による負荷は加工速度が下がることで一旦減少した後、研削加工が進まなくなるのに伴って増加している。

これに対して、本実施形態による図４（Ｂ）を参照すると、仕上げ研削加工の工程において、第１の仕上げ加工速度と第２の仕上げ加工速度を交互に切り替えている。精度を上げるための遅い方の第２の仕上げ加工速度から仕上げ研削加工に入っても、次の第１の仕上げ加工速度での加工により自生発刃を促し、続く第２の仕上げ加工速度での加工により精度の高い加工を可能にしている。その結果、仕上げ加工として十分な精度の研削を継続的に行うことが可能となっている。

なお、図４（Ｂ）には、第１の仕上げ加工速度で加工を行う時間および第２の仕上げ加工速度で加工を行う時間がそれぞれ一定であり、また第１の仕上げ加工速度および第２の仕上げ加工速度がそれぞれ一定であるような研削加工パターンを例示した。しかし、本発明がこれに限定されることは無い。

他の例として、第１の仕上げ加工速度が研削の進行に伴って変化するような制御を行ってもよい。研削が進行するのに伴って第１の仕上げ加工速度を調整し、ワークピースＷが必要以上に研削されないようにすることができるので、仕上げ研削加工の終了付近でワークピースＷの表面の研削精度をより高くすることができる。

例えば、図５のように、第１の仕上げ加工速度を研削の進行に応じて下げて行ってもよい。また、研削加工の経過時間に応じて第１の仕上げ加工速度を低下させても良い。また、現在のワークピースＷの表面位置から加工目標位置までの距離（加工残量）に応じて第１の仕上げ加工速度を低下させても良い。これにより、仕上げ加工の終了付近において、ワークピースＷの表面の滑らかさやワークピースＷの表面位置（ワークピースＷの厚さ）を高精度で制御することが可能になる。

また例えば、送り駆動部５３の機構がボールねじで構成されている場合、その機構を構成する部材に加わる負荷に応じて第１の仕上げ加工速度を低下させても良い。

また例えば、砥石回転軸５５あるいはワーク回転軸４２に加わる負荷に応じて第１の仕上げ加工速度を低下させても良い。

また他の例として、図６に示すように、第１の仕上げ加工速度と第２の仕上げ加工速度の切り替えにおいて加工速度が傾斜を持って変化するような制御を行っても良い。図６の例では、第１の仕上げ加工速度から第２の仕上げ加工速度への切り替え時と、第２の仕上げ加工速度から第１の仕上げ加工速度への切り替え時の両方において、加工速度が傾斜を持って変化しているが、いずれか一方だけに傾斜を持たせてもよい。

また、図４では、仕上げ研削加工の工程における第１の仕上げ加工速度が荒研削加工の工程において継続的に荒研削を行う加工速度と同じ速度である例を示したが、本発明がそれに限定されることは無い。第１の仕上げ加工速度は、砥石２に自生発刃が起こるだけの加工力が得られる加工速度であればよく、第１の仕上げ加工速度は、荒研削加工の工程における加工速度よりも遅くても良い。

また、本実施形態では図４のように、制御装置６は、第２の仕上げ加工速度での研削加工を予め定められた所定時間だけ行ったら、第１の仕上げ加工速度での研削加工に切り替える例を示したが、本発明がこれに限定されることは無い。他の例として、第２の仕上げ加工速度での研削加工の状況をみながら、第１の仕上げ加工速度での研削加工に切り換えるタイミングを決定してもよい。すなわち、第２の仕上げ加工速度での研削加工時にワークピースＷの研削の進行速度が所定値以下になったら、送り駆動部５３を第２の仕上げ加工速度から第１の仕上げ加工速度に切り換えさせることにしてもよい。研削の進行速度は、ワークピースＷの厚みの時間的な変化（減少）から算出することができる。砥石２の研削能力が低下してきたときに加工力を強めて自生発刃を促すことができるので、大きな加工力で研削を行う時間を必要最小限に抑え、研削精度を高く保つことができる。

また例えば、駆動モータ５６が砥石２を回転させるための負荷（回転負荷）と、駆動モータ４３がワークピースＷを回転させるための回転負荷とのいずれか一方または両方が所定値以下になると、送り駆動部５３に第２の加工速度から第１の加工速度に切り換えさせることにしてもよい。なお、その場合には、砥石２あるいはワークピースＷのいずれか一方あるいは両方の回転負荷を計測する手段が必要となるが、各モータの回転数やモータ電流で代用することもできる。

砥石２の研削能力が低下して砥石２とワークピースＷの間が滑り、ワークピースＷの研削が進まなくなると、砥石２やワークピースＷの回転負荷は低下する。これに対して本例を採用すれば、砥石２の研削能力が低下してきたときに加工速度を上げて自生発刃を促すということができるので、加工速度を上げる時間を必要最小限に抑えることができる。

また、本実施形態においては第１の仕上げ加工速度と第２の仕上げ加工速度との切り替えと、チャック４４の回転によるワークピースＷの角度とを特に規定していないが、それを規定することにしてもよい。例えば、第１の仕上げ加工速度と第２の仕上げ加工速度の切り換えを、チャック４４の回転がいつも同じ角度すなわちワークピースＷの角度が毎回同じとならないようにするとよい。砥石２の端面がワークピースＷの同じ位置にあるときに切り換えが繰り返し起きないようにすることで、ワークピースＷの被研削面の研削に偏りが生じるのを低減することができる。

また、第１の仕上げ加工速度と第２の仕上げ加工速度の切り換えをチャック４４の回転量で定まるタイミングで行うことにしても良い。つまり、チャック４４が所定の回転量だけ回転したときに仕上げ加工速度を切り替えるというものである。これもやはり、砥石２の端面がワークピースＷの同じ位置にあるときに切り換えが繰り返し起きないようにすることで、ワークピースＷの被研削面の研削に偏りが生じるのを低減することができる。例えば、１２００ｄｅｇ（＝３・１／３回転）だけ回転したら、仕上げ加工速度を切り替えるというように、非整数の回転数を用いるとよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらは全て本発明を説明するための例示であり、これらの実施形態のみに本発明の範囲を限定する趣旨ではない。従って、本発明は、その要旨を逸脱することなく、他の様々な形態で実施することが可能である。

Ｓ１、Ｓ２…センサ、１…研削加工装置、２…砥石、３０…ベース部材、４０…ワーク支持部、４１…支持台、４２…ワーク回転軸、４２Ａ…中心軸、４３…駆動モータ、４４…チャック、５０…研削加工部、５１…固定台、５２…送り台、５３…送り駆動部、５４…支持台、５５…砥石回転軸、５５Ａ…中心軸、５６…駆動モータ、６…制御装置

Claims (7)

1. 砥石とワークピースを回転させて前記砥石で前記ワークピースを押圧することにより前記ワークピースの表面を研削するための研削加工方法において、
   荒加工後の仕上げ加工として、前記ワークピースを継続的に研削できる第１の仕上げ加工速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送る第１の工程と、前記第１の仕上げ加工速度よりも遅い第２の仕上げ加工速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送る第２の工程とを交互に切り替えることを特徴とする研削加工方法。
2. 前記ワークピースの表面位置が、加工を終了する位置である加工目標位置、または該加工目標位置から所定距離だけ手前の位置に達した時点で、前記第１の工程と前記第２の工程とを切り替える動作を終了することを特徴とする請求項１に記載の研削加工方法。
3. 前記第２の工程で前記ワークピースの研削が進行する仕上げ加工研削進行距離を推定し、前記第２の工程を開始した位置と、加工を終了する位置である加工目標位置との距離が、前記仕上げ加工研削進行距離以下であったら、前記第１の工程と前記第２の工程とを切り替える動作を終了することを特徴とする請求項１に記載の研削加工方法。
4. 前記第１の工程と前記第２の工程とを切り替える動作を所定回数だけ行う、請求項１に記載の研削加工方法。
5. 前記第１の工程と前記第２の工程とを切り替えるときに、前記ワークピースの角度が毎回同じとならないように、前記ワークピースの角度をみて切り替えるタイミングを決定する、請求項１に記載の研削加工方法。
6. 前記第２の仕上げ加工速度は、前記荒加工の加工速度より遅い速度であり、継続的に研削できない加工速度を含むものである、請求項１から５のいずれか一項に記載の研削加工方法。
7. 砥石とワークピースを回転させて前記砥石で前記ワークピースを押圧することにより前記ワークピースの表面を研削する研削加工装置であって、
   前記砥石と前記ワークピースとを相対的に往復移動させる送り駆動部と、
   前記ワークピースの厚みを検知する厚みセンサと、
   仕上げ加工として、前記ワークピースを継続的に研削できる第１の仕上げ加工速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送る第１の工程と、前記第１の仕上げ加工速度よりも遅い第２の仕上げ加工速度で前記砥石を相対的に前記ワークピース側に送る第２の工程とを交互に切り替え、前記厚みセンサで検知される前記ワークピースの厚みが加工目標に達するまで送るように前記送り駆動部を制御する制御装置と、
   を有する研削加工装置。
   
   

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