JP2022545477A - 水平スライドテーブルの変位測定及び保護装置 - Google Patents

水平スライドテーブルの変位測定及び保護装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、結晶材料の均一研磨装置および使用方法を開示し、前記研磨装置は、供給ユニット、挟持ユニット、研磨ユニットと制御ユニットを含み、前記供給ユニットはワークを設定移動軌跡に沿って研磨ユニット表面で移動させ、その移動軌跡関連情報を制御ユニットにリアルタイムでフィードバックし、前記挟持ユニットはワークを挟持してワークを移動過程において回転させると同時に、ワークに一定の負荷力を与えるために使用され、前記研磨ユニットはその表面で移動しているワークを研磨するために使用され、前記制御ユニットは前記供給ユニットの移動軌跡および挟持ユニットの負荷力を制御するために使用され、前記使用方法は前記研磨装置を使用してワークを研磨する。上記のように、本発明はワーク除去率の均一性を確保し、ワークの幾何学的精度と表面品質を向上させることができる。

Description

本出願は、2019年8月20日に出願された、出願番号201910767109.0の発明「発明の名称:結晶材料の均一研磨装置および使用方法」の優先権を主張し、そのすべての内容が参照によって本出願に組み込まれる。
本発明は、超精密研磨の技術分野に関し、特に結晶材料の均一研磨装置および使用方法に関する。
研磨加工プロセスでは、研磨ディスクの回転とワーク自体の回転に従って、研磨ディスク上の研磨粒子がワークの表面に複雑な移動軌跡を形成して、加工精度の向上に寄与している。しかしながら、研磨ディスクの回転とワーク自体の回転のみの場合、ワーク表面における研磨粒子によって形成された移動軌跡は一般的に規則的かつ周期的であるため、長期間の加工プロセスでは、研磨ディスクの表面に損傷や欠陥が繰り返して作用し、ワーク表面の品質と精度が低下することを引き起こしている。したがって、研磨加工プロセスでは、機械的構造を介してワークを特定の軌跡に沿って移動させることが必要である。
現在、一般の研磨加工プロセスでは、研磨ディスクの径方向に沿って送りを往復させる方法や遊星歯車機構を使用してワークを公転させる方法が多く使用されているが、いずれも複雑なワーク移動軌跡を形成して加工精度の向上に寄与する。ただし、以上の方法で生成された軌跡は比較的単純であり、自由に変更できない。それと同時に、ワークが研磨ディスクの表面で移動する過程において、その位置での研磨ディスクの線速度も変化し、さらに除去率も変化しているため、ワークの加工状態が不安定になり、加工精度が低下する。Preston方程式γ=KPvによれば、Preston係数が一定のKの条件下で、除去率γを一定に保つために、荷重Pが研磨速度vの変化に伴って変化する必要がある。
公開番号CN108188865 Aの中国発明特許出願では、駆動装置を使用してワークを研磨ディスクの垂直軸線に近接したり離隔したりする方向に沿って移動させるように駆動することで、研磨ディスク上のワークの位置を変更し、結晶の粗研磨と微研磨の両方を実現するレーザー結晶研磨装置が開示されている。しかしながら、この装置は直線に沿ったワークの往復移動しか実現できず、より複雑な移動形態を実現することができず、結晶材料の加工精度の向上はわずかである。
公開番号CN107803723 Aの中国発明特許出願では、研削研磨装置が開示されており、遊星歯車機構を使用し、この研削研磨工具は研磨軸を中心に公転するだけでなく、自体の軸線を中心に回転すると同時に、この装置は研磨圧力を提供し、加工精度を効果的に向上させることができる。しかしながら、遊星歯車機構の構造は固定されると後の段階では自由に変更できない。さらに、研磨軸周りの公転と自体軸線周りの回転という複合移動は周期的であり、軌跡の複雑度合いが限られている。この装置は、ばねの圧縮量を調整することで研磨圧力を変更する必要があり、実際の加工に不便である。
本発明によって解決されるべき主な技術的問題は、従来の研磨装置の上記欠陥を解決することができる結晶材料の均一研磨装置および使用方法を提供することである。
上記の技術的問題を解決するために、本発明で採用される技術的解決策としての結晶材料の均一研磨装置は、供給ユニット、挟持ユニット、研磨ユニットおよび制御ユニットを含み、前記制御ユニットは、前記供給ユニットが設定移動軌跡に沿ってワークを研磨ユニットで移動させてワーク表面の研磨を実現するように制御し、前記供給ユニットは、その移動軌跡に関連する情報を制御ユニットにリアルタイムで送信し、前記制御ユニットは関連情報に基づいて研磨プロセスでワークに必要な負荷力を算出し、挟持ユニットがワークの負荷力を調整させるように制御する。
本発明の好ましい実施例では、前記供給ユニットと研磨ユニットは防振台上に平行に配置され、前記挟持ユニットと供給ユニットが接続されている。
本発明の好ましい実施例では、前記研磨ユニットは、ガス静圧ターンテーブルと研磨ディスクを含み、前記ガス静圧ターンテーブルは防振台上に固定され、前記研磨ディスクは前記ガス静圧ターンテーブル上に取り付けられている。
本発明の好ましい実施例では、前記供給ユニットは、スイングアーム、伸縮アームと支持ホルダを含み、前記支持ホルダは防振台上に固定され、前記スイングアームは前記支持ホルダ上に取り付けられて前記支持ホルダ上で回転し、前記伸縮アームは前記スイングアーム上に取り付けられてスイングアームに沿って前後に水平移動することができる。
本発明の好ましい実施例では、前記スイングアームの前端の円弧端の下方に円形格子が固定され、前記伸縮アームの側壁に水平格子が固定され、前記支持ホルダ上に円形格子の回転角度を取得するための角度センサがさらに取り付けられ、前記伸縮アームの側壁に水平格子の変位量を取得するための位置センサがさらに取り付けられている。
本発明の好ましい実施例では、前記挟持ユニットは、シフトフォーク、速度調整モータ、主動輪、制限輪と加圧装置を含み、前記加圧装置は前記シフトフォーク上に固定されて、シフトフォーク内に位置するワークに負荷力を提供するために使用され、複数の前記制限輪は、間隔を空けて前記シフトフォークの円周面の下方に分布しており、主動輪と協力してワークをシフトフォーク内に挟持および制限し、前記速度調整モータは主動輪を回転させ、前記主動輪はワークを回転させるために使用される。
上記の技術的問題を解決するために、本発明は、結晶材料の均一研磨装置の使用方法をさらに提供し、この方法は、
供給ユニット内のスイングアームと伸縮アームは連携してワークの円心Oを初期位置に移動させるステップS1と、
研磨ユニットの研磨ディスクの角速度ω、ワークの角速度ωを設定し、ワークを軌跡方程式入力制御ユニットに移動させ、ワークの走行速度sを設定し、制御ユニットによって供給ユニットの移動軌跡を算出するステップS2と、
研磨ユニット、供給ユニット及び挟持ユニットを始動し、供給ユニットがワークをステップS2によって算出された移動軌跡に沿って研磨ディスク上で移動させると同時に、供給ユニットがその移動軌跡に関連する情報を制御ユニットにリアルタイムで送信し、制御ユニットが関連情報に基づいてワークの円心Oと研磨ディスクの円心Oの距離をリアルタイムで算出し、前記距離に基づいてワークへの負荷力を算出するステップS3と、
制御ユニットは算出された負荷力を挟持ユニットにフィードバックし、挟持ユニット内の加圧装置によってフィードバック結果に基づいて負荷力の大きさをリアルタイムで変更するステップS4と、を含む。
本発明の好ましい実施例では、供給ユニットはワークをステップS2によって算出された移動軌跡に沿って研磨ユニットの研磨ディスク上で移動させる過程において、制御ユニットはワークの走行速度sを一定に制御する。
本発明の好ましい実施例では、ステップS3では、前記供給ユニットの移動軌跡関連情報には、伸縮アームの水平変位情報とスイングアームの回転角度情報が含まれ、供給ユニット内の位置センサは伸縮アームに固定的に取付られた水平格子の値をリアルタイムで読み取って伸縮アームの水平変位情報を取得し、供給ユニット内の角度センサはスイングアームに固定された円形格子の値をリアルタイムで読み取ってスイングアームの回転角度情報を取得する。
本発明の好ましい実施例では、ステップS3において、前記ワークの除去率はPreston方程式γ=KPvに従っており、この式において、γは除去率であり、KはPreston係数であり、Pは負荷圧力であり、vは研磨ディスクの線速度であり、前記制御ユニットは前記方程式に従って負荷力
Figure 2022545477000002
を算出する。ただし、rはワーク半径であり、ωは研磨ディスクの角速度であり、
は時刻tにおけるワークの円心Oから研磨ディスクの円心Oまでの距離である。
本発明は以下の効果を有する。本発明は、供給ユニットによってワークを複雑な軌跡に沿って研磨ユニット上で移動させ、移動プロセスが安定し、移動速度が一定であり、かつ移動軌跡がワークの移動軌跡方程式に従って設定され、同時に挟持ユニットを使用してワークに負荷力を与え、制御ユニットが負荷力の大きさをリアルタイムで変更することができるため、ワークの除去率の均一性を確保し、ワークの幾何学的精度と表面品質を向上させることができる。
本発明の装置の三次元構造の概略図である。 本発明の装置の正面図である。 図1の部分拡大図である。 初期位置にある本発明の装置の上面図である。 ワークが正弦波軌跡に沿って移動する場合の概略図である。 研磨ディスクの線速度と角速度の間の関係図である。 負荷力が研磨ディスクの速度変化に従って変化するグラフである。 ワークが正弦波軌跡に沿って移動する場合の、負荷力の経時変化を示すグラフである。
以下、当業者が本発明の利点および特徴をより容易に理解して、本発明の保護範囲をより明確に定義することができるように、図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳しく説明する。
図1~図3を参照して、本発明の実施例の結晶材料の均一研磨装置は、供給ユニット1、挟持ユニット2、研磨ユニット3及び制御ユニットを含み、前記制御ユニットは供給ユニット1を制御して設定移動軌跡に沿ってワークを研磨ユニット3の表面で移動させてワーク表面の研磨を実現し、供給ユニット1はその走行軌跡関連情報を制御ユニットにリアルタイムで送信し、前記制御ユニットによって関連情報に基づいて研磨プロセスのワークへの必要な負荷力を算出し、挟持ユニット2はワークの負荷力を調整する。
供給ユニット1と研磨ユニット3は防振台4上に平行に配置され、挟持ユニット2の一端は供給ユニット1の一端に固定的に接続されている。
さらに、研磨ユニット3は、ガス静圧ターンテーブル31と研磨ディスク32を含み、ガス静圧ターンテーブル31は防振台4上に固定され、研磨ディスク32はガス静圧ターンテーブル31上に取り付けられてガス静圧ターンテーブル31と同軸で回転する。
供給ユニット1は、スイングアーム11、伸縮アーム12および支持ホルダ13を含み、支持ホルダ13は防振台4上に固定され、スイングアーム11は支持ホルダ13上に取り付けられて支持ホルダ13と同軸で回転し、伸縮アーム12はスイングアーム11上に取り付けられてスイングアーム11に沿って前後に水平移動し、スイングアーム11の前端の円弧端の下方に円形格子14が固定され、伸縮アーム12の側壁に水平格子15が固定され、支持ホルダ13上に円形格子14の回転角度を取得するための角度センサ16がさらに取り付けられ、伸縮アーム12の側壁に水平格子15の変位量を取得するための位置センサ17がさらに取り付けられている。
挟持ユニット2は、シフトフォーク21、速度調整モータ22、主動輪23、制限輪24および加圧装置25を含み、加圧装置25はシフトフォーク21上に固定されて、シフトフォーク21内にあるワークに負荷力を与えるために使用され、複数の制限輪24は間隔を空けてシフトフォーク21の円周面の下方に分布しており、主動輪23と協力してワークを挟持してシフトフォーク21内に制限し、速度調整モータ22は主動輪23を回転させ、主動輪23はワークを回転させるために使用される。
前記結晶材料の均一研磨装置の使用方法は、
スイングアーム11と伸縮アーム12が連携してワークの円心Oを初期位置に移動させるステップS1と、
研磨ディスク32の角速度ω、ワークの角速度ωを設定し、ワーク移動軌跡方程式を制御ユニットに入力し、ワーク走行速度sを設定し、制御ユニットによって供給ユニット1の移動軌跡を算出するステップS2と、
研磨ユニット3、供給ユニット1と挟持ユニット2を始動し、供給ユニット1はワークをステップS2によって算出された移動軌跡に沿って研磨ディスク32上で移動させると同時に、位置センサ17が伸縮アーム12上に固定的に取り付けられた水平格子15の値をリアルタイムで読み取って伸縮アーム12の水平変位情報を取得し、角度センサ16がスイングアーム11上に固定された円形格子14の値をリアルタイムで読み取ってスイングアーム11の回転角度情報を取得し、関連情報をそれぞれ制御ユニットにフィードバックして、制御ユニットが前記水平変位情報と回転角度情報に基づいてワークの円心Oの実際位置を算出し、ワークの円心Oと研磨ディスクの円心Oの距離を取得し、前記距離に基づいてワークへの負荷力を算出するステップS3と、
制御ユニットが算出された負荷力を挟持ユニット2にフィードバックし、挟持ユニット2内の加圧装置25によってフィードバック結果に基づいて負荷力の大きさをリアルタイムで変更するステップS4と、を含む。
このとき、供給ユニット1はワークをステップS2によって算出された移動軌跡に沿って研磨ユニットの研磨ディスク32上で移動させる過程において、制御ユニットはワークの走行速度sを一定に制御する。
さらに、前記ワークの除去率はPreston方程式γ=KPvに従っており、この式において、γは除去率であり、KはPreston係数であり、Pは負荷圧力であり、vは研磨ディスクの線速度であり、前記制御ユニットは前記方程式に従って負荷力
Figure 2022545477000003
を算出する。この式において、rはワーク半径であり、ωは研磨ディスクの角速度であり、l(t)は時刻tにおけるワークの円心Oから研磨ディスクの円心Oまでの距離である。
図4~図8を継続的に参照して、本発明の結晶材料の均一研磨装置の使用方法は、具体的に以下のプロセスを含む。
研磨ディスク32が配置されている平面内で、研磨ディスク32の円心Oを原点としてデカルト座標系を確立し、支持ホルダ13の上面が配置されている平面内で、支持ホルダ13の上面の円心Oを原点として極座標系を確立し、デカルト座標系のx軸と極座標系のx軸の方向は同じであり、
スイングアーム11と伸縮アーム12が初期位置まで走行し、このとき、デカルト座標系内でのワークの円心Oの座標は(-l,0)であり、極座標系内での座標は(r,0)であり、
研磨ディスク角速度ωおよびワーク角速度ωを設定し、
移動軌跡方程式f(x)=Asin(nx+φ)を制御ユニットに入力し、
走行速度sを設定し、
Figure 2022545477000004
からO移動軌跡の極座標方程式r=r(θ)を解き、
Figure 2022545477000005
に基づいて、
制御ユニットは時刻tにおけるOの直角座標(x(t),y(t))を算出し、
さらにr=r(θ)に従って時刻tにおけるOの極座標(r(t),θ(t))、時刻tにおけるスイングアーム11の角速度ω(t)および伸縮アーム12の速度v(t)を算出し、
ガス静圧ターンテーブル32を始動し、
速度調整モータ22、加圧装置25および供給ユニット1を始動し、
供給ユニット1は上記のパラメータに従って移動すると同時に、ワークを入力された軌跡に沿って移動させ、それと同時に研磨ディスク32はワークを加工し始め、
制御ユニットはOとOの間の距離
Figure 2022545477000006
をリアルタイムで算出し、
研磨ディスク32上の任意点の線速度vと角速度ωの関係vRから、
での研磨ディスク線速度v
を取得し、
Preston方程式γ=KPvに従って、この式において、γは除去率であり、KはPreston係数であり、Pは負荷圧力であり、時刻tにおける負荷力
Figure 2022545477000007
を取得し、rはワーク半径であり、
加圧装置25は以上の算出結果に基づいて、負荷力の大きさをリアルタイムで変更し、
位置センサ17と角度センサ16はそれぞれ水平格子15の値r’(t)と円形格子14の値θ’(t)をリアルタイムで読み取って、時刻tにおけるOの実際位置(r’(t)、θ’(t))を取得し、
(r’(t)、θ’(t))と(r(t),θ(t))を比較し、誤差が許容値よりも大きい場合、制御ユニットはワーク走行軌跡の精度を確保するために補償を行う。
以上のように、本発明はスイングアームと伸縮アームの連携によってワークを複雑な軌跡に沿って研磨ディスクの表面で移動させ、移動プロセスが安定し、移動速度が一定であり、かつ移動軌跡が手動で設定可能であり、同時に加圧装置を使用してワークに負荷力を与え、制御ユニットはワークが配置されている位置の研磨ディスクの線速度の相違に基づいて、負荷力の大きさをリアルタイムで変更し、ワーク除去率の均一性を確保し、ワークの幾何学的精度と表面品質を向上させる。
なお、本発明の説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「内」、「外」などの用語で示された方位や位置関係は、図面に基づいた方位や位置関係、またはこの発明の製品が通常使用される場合の方位や位置関係であり、本発明を説明するか、説明を簡略化するためのものであり、かかる装置やデバイスが必ずしも特定の方位を有し、特定の方位で構成および操作されることを示すものではなく、本発明の限制として解釈されるべきではない。以上の説明は本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明の制限ではなく、当業者にとって、本発明はさまざまな変更や修正を有し得る。本発明の精神および原則の範囲を逸脱しない限りなされた修正、同等置換、改善などは、すべて本発明の保護範囲に含まれるべきである。
上記の説明は本発明の実施例に過ぎず、本発明の特許請求の範囲を制限するものではなく、本発明の明細書および図面の内容に基づいてなされた同等構造や同等手順変更、または他の関連技術分野での直接または間接的な適用は、すべて上記のように本発明の保護範囲内に含まれるべきである。
1 供給ユニット
11 スイングアーム
12 伸縮アーム
13 支持ホルダ
14 円形格子
15 水平格子
16 角度センサ
17 位置センサ
2 挟持ユニット
21 シフトフォーク
22 速度調整モータ
23 主動輪
24 制限輪
25 加圧装置
3 研磨ユニット
31 ガス静圧ターンテーブル
32 研磨ディスク
4 防振台

Claims (10)

  1. 供給ユニット、挟持ユニット、研磨ユニット及び制御ユニットを含み、
    前記供給ユニットはワークを設定移動軌跡に沿って前記研磨ユニット上で移動させ、その移動軌跡関連情報を前記制御ユニットにリアルタイムでフィードバックし、
    前記挟持ユニットはワークを挟持してワークを移動過程において回転させると同時に、ワークに負荷力を与え、
    前記研磨ユニットはワークを研磨し、
    前記制御ユニットは前記供給ユニットの移動軌跡および前記挟持ユニットの負荷力を制御する、ことを特徴とする結晶材料の均一研磨装置。
  2. 前記供給ユニットと前記研磨ユニットは平行に配置され、前記挟持ユニットと前記供給ユニットは接続されている、ことを特徴とする請求項1に記載の結晶材料の均一研磨装置。
  3. 前記研磨ユニットは、ガス静圧ターンテーブルと研磨ディスクを含み、前記研磨ディスクは前記ガス静圧ターンテーブル上に取り付けられている、ことを特徴とする請求項2に記載の結晶材料の均一研磨装置。
  4. 前記供給ユニットは、スイングアーム、伸縮アームおよび支持ホルダを含み、前記支持ホルダは防振台上に固定され、前記スイングアームは前記支持ホルダ上に取り付けられて前記支持ホルダ上で回転し、前記伸縮アームは前記スイングアーム上に取り付けられて前記スイングアームに沿って前後に水平移動することができる、ことを特徴とする請求項2に記載の結晶材料の均一研磨装置。
  5. 前記スイングアームの前端の円弧端の下方に円形格子が固定され、前記伸縮アームの側壁に水平格子が固定され、前記支持ホルダ上に前記円形格子の回転角度を取得するための角度センサがさらに取り付けられ、前記伸縮アームの側壁に前記水平格子の変位量を取得するための位置センサがさらに取り付けられている、ことを特徴とする請求項4に記載の結晶材料の均一研磨装置。
  6. 前記挟持ユニットは、シフトフォーク、速度調整モータ、主動輪、制限輪および加圧装置を含み、前記加圧装置は前記シフトフォーク上に固定されて、前記シフトフォーク内にあるワークに負荷力を与え、複数の前記制限輪は間隔を空けて前記シフトフォークの円周面の下方に分布しており、前記制限輪と前記主動輪は協力してワークを挟持して前記シフトフォーク内に制限し、前記速度調整モータは前記主動輪を回転させ、前記主動輪はワークを回転させる、ことを特徴とする請求項2に記載の結晶材料の均一研磨装置。
  7. 請求項1に記載の結晶材料の均一研磨装置の使用方法であって、
    前記供給ユニットがワークの円心Oを初期位置まで移動させるステップS1と、
    前記研磨ユニットの研磨ディスクの角速度ω、ワークの角速度ωを設定し、ワーク移動軌跡方程式を前記制御ユニットに入力して、ワーク走行速度sを設定し、前記制御ユニットによって前記供給ユニットの移動軌跡を算出するステップS2と、
    前記研磨ユニット、前記供給ユニット及び前記挟持ユニットを始動し、前記供給ユニットがワークをステップS2で前記制御ユニットによって算出された移動軌跡に沿って前記研磨ディスク上で移動させると同時に、前記供給ユニットがその移動軌跡関連情報を前記制御ユニットにリアルタイムでフィードバックし、前記制御ユニットがワークの円心Oと前記研磨ディスクの円心Oの距離およびワークへの負荷力を算出するステップS3と、
    前記挟持ユニット内の加圧装置はステップS3での前記制御ユニットの算出結果に基づいてワークへの負荷力の大きさをリアルタイムで変更するステップS4と、を含むことを特徴とする使用方法。
  8. 前記ワークが前記研磨ディスク上で移動する過程において、前記制御ユニットはワークの走行速度sを一定に制御する、ことを特徴とする請求項7に記載の結晶材料の均一研磨装置の使用方法。
  9. ステップS3において、前記供給ユニットの移動軌跡関連情報には、伸縮アームの水平変位情報およびスイングアームの回転角度情報が含まれ、前記供給ユニット内の位置センサは前記伸縮アームに固定的に取り付けられた水平格子の値をリアルタイムで読み取って前記伸縮アームの水平変位情報を取得し、前記供給ユニット内の角度センサは前記スイングアーム上に固定された円形格子の値をリアルタイムで読み取って前記スイングアームの回転角度情報を取得する、ことを特徴とする請求項7に記載の結晶材料の均一研磨装置の使用方法。
  10. 前記ワークの除去率はPreston方程式γ=KPvに従っており、この式において、γは除去率であり、KはPreston係数であり、Pは負荷圧力であり、vは前記研磨ディスクの線速度であり、前記制御ユニットは前記方程式に従って負荷力
    Figure 2022545477000008
    を算出し、この式において、rはワーク半径であり、ωは研磨ディスクの角速度であり、l(t)は時刻tにおけるワークの円心Oから研磨ディスクの円心Oまでの距離である、ことを特徴とする請求項7に記載の結晶材料の均一研磨装置の使用方法。
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