JP2024070344A

JP2024070344A - スピンドルユニット及び加工装置

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Publication number: JP2024070344A
Application number: JP2022180767A
Authority: JP
Inventors: 浩司渡辺
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2022-11-11
Filing date: 2022-11-11
Publication date: 2024-05-23
Also published as: US20240157493A1; CN118024139A; KR20240069614A

Abstract

【課題】エアの消費量を低減可能なスピンドルユニットを提供する。【解決手段】先端に加工具（４９）を装着し回転するスピンドル（４３）と、スピンドルの外側面に隙間を設けて対面する内側面を有するケーシング（４１）と、隙間に高圧エアを介在させてスピンドルをケーシングが回転可能に支持するエアベアリングと、スピンドルを回転させるモータ（５０）と、を備えるスピンドルユニット（４０）であって、隙間に高圧エアを供給する高圧エア供給部（６２、６３）と、スピンドルの回転によって、高圧エア源（６４）から高圧エアの供給を閉ざした隙間（ＳＡ、ＳＢ）に高圧エア層（Ｓａ、Ｓｂ）を形成した動圧エアベアリングと、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、スピンドルユニット及び加工装置に関する。

半導体ウェーハなどの被加工物を切削する切削装置に備えられるスピンドルユニットは、切削ブレードが取り付けられるスピンドルの周囲に高圧エアを供給した静圧エアベアリングによって、スピンドルを回転可能に支持している（例えば、特許文献１）。また、被加工物を研削する研削装置に備えられるスピンドルユニットは、研削砥石が取り付けられるホイールに接続するスピンドルの周囲に高圧エアを供給した静圧エアベアリングによって、スピンドルを回転可能に支持している（例えば、特許文献２）。このように、加工時に回転する加工具を備える加工装置において、加工具を回転駆動させるスピンドルユニットにエアベアリングが採用されている。

特開２０２０－１８３０１７号公報特開２０１８－０１５８５９号公報

従来の切削装置や研削装置におけるスピンドルユニットは、スピンドルを回転させる時に高圧エアを継続的に供給してエアベアリング（静圧エアベアリング）を形成していたため、エア供給量（エア消費量）が多いという課題があった。エア供給量が多いと、高圧エアを供給するためのコンプレッサの消費電力が多くなるなどの問題が生じる。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、エアの消費量を低減可能なスピンドルユニット及び加工装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、先端に加工具を装着し回転するスピンドルと、該スピンドルの外側面に隙間を設け該外側面に対面する内側面を有するケーシングと、該隙間に高圧エアを介在させ該スピンドルを該ケーシングが回転可能に支持するエアベアリングと、該スピンドルを回転させるモータと、を備えるスピンドルユニットであって、該隙間に高圧エアを供給する高圧エア供給部と、該スピンドルの回転によって該高圧エア源から高圧エアの供給を閉ざした該隙間に高圧エア層を形成した動圧エアベアリングと、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様は、被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物を上記のスピンドルユニットのスピンドルの先端に装着し回転する加工具で加工する加工ユニットと、制御部と、を備える加工装置であって、該高圧エア供給部と高圧エア源とを連通するエア供給路と、該エア供給路を開閉するバルブと、該バルブの開閉を制御する開閉制御部と、該スピンドルの回転と停止とを制御するモータ制御部と、を備え、該制御部は、該スピンドルを回転させる際は、該開閉制御部によって該バルブを開き該隙間に高圧エアを供給して該ケーシングから該スピンドルを浮上させることと、該モータ制御部によってモータに電力を供給して該スピンドルを回転させ該動圧エアベアリングを形成させることと、該開閉制御部によって該バルブを閉じ高圧エアを供給せず該動圧エアベアリングのみでスピンドルを回転させ続けることと、該スピンドルの回転を止める際は、該開閉制御部によって該バルブを開き該隙間に高圧エアを供給することと、該モータ制御部によってモータに供給している電力を遮断することと、を制御して、該動圧エアベアリングによって回転する該スピンドルを支持し、該加工具で被加工物を加工することを特徴とする。

本発明のスピンドルユニット及び加工装置によれば、加工具で被加工物を加工する際に、動圧エアベアリングによって回転するスピンドルを支持することにより、エアの消費量を低減することができる。

本実施形態の切削装置の斜視図である。切削装置のスピンドルユニットの断面図である。スピンドルを回転させて第１大径部のエア整流部によって高圧エア層を形成した状態を示す斜視図である。スピンドルを回転させて第１大径部の別の形態のエア整流部によって高圧エア層を形成した状態を示す斜視図である。切削装置の動作の制御内容を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本実施形態に係るスピンドルユニット及び加工装置について説明する。本実施形態は、スピンドルユニットを備える加工装置の一例として、切削装置に適用したものである。なお、本発明を適用する加工装置は、切削装置には限定されず、研削装置や研磨装置などにも適用が可能である。

図１に示す切削装置１０は、被加工物１を切削加工するものである。切削装置１０は、加工ユニットとして切削機構１４を備え、加工具として切削ブレード４９を備えている。

被加工物１は、例えばシリコンなどからなる円板形状の半導体ウェーハである。被加工物１の表面には、格子状の複数の分割予定ラインで区画された複数の領域内に、電子デバイスであるチップが形成されている。被加工物１の裏面側には可撓性のあるテープ２が取り付けられており、テープ２の外周部分に環状のリングフレーム３が取り付けられている。

なお、切削装置１０で切削する被加工物は半導体ウェーハには限定されない。例えば、セラミック、ガラス、サファイアなどの無機材料基板、半導体製品のパッケージ基板などでもよい。

切削装置１０におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向は、互いに直交する方向である。Ｘ軸方向とＹ軸方向は水平方向であり、Ｚ軸方向は上下方向である。Ｘ軸方向は、分割予定ラインに沿って切削を行う際に、切削ブレード４９に対して被加工物１を移動させる加工送り方向である。Ｙ軸方向は、分割予定ラインの切削加工後に次の分割予定ラインに切削ブレード４９を位置付けるために、切削ブレード４９を移動させる割り出し送り方向である。Ｚ軸方向は、切削ブレード４９が被加工物１に切り込む際に、切削ブレード４９を移動させる切り込み送り方向である。

切削装置１０は、基台１１上にチャックテーブル１２を備えている。チャックテーブル１２は、ポーラスセラミック材などの多孔質部材により形成された保持面を上面側に備えており、吸引源（図示略）によって保持面に吸引力を作用させることができる。保持面上の吸引力によって、テープ２を介して被加工物１がチャックテーブル１２の保持面に吸引保持される。チャックテーブル１２の周囲には複数のクランプ１３が設けられており、クランプ１３によって被加工物１の周囲のリングフレーム３が挟持固定される。

切削装置１０の基台１１上には、チャックテーブル１２をＸ軸方向に移動させる加工送り用の加工送り機構１５が設けられている。加工送り機構１５は、基台１１上に配置されてＸ軸方向に延びる一対のガイドレール１６と、一対のガイドレール１６の間に設けられてＸ軸方向に延びるボールネジ１７とを有し、ボールネジ１７は一端部に設けたモータ１８によって回転駆動される。Ｘ軸移動テーブル１９は、ガイドレール１６に対してＸ軸方向に摺動可能に支持され、且つボールネジ１７が螺合する螺合部（図示略）を有している。モータ１８によってボールネジ１７を回転させると、Ｘ軸移動テーブル１９がＸ軸方向に移動する。

Ｘ軸移動テーブル１９上には、Ｚ軸方向の軸回りにチャックテーブル１２を回転可能に支持する回転支持部２０が設けられている。回転支持部２０の上部にチャックテーブル１２が支持されており、回転支持部２０が備えるモータ（図示略）によってチャックテーブル１２を回転させることができる。

基台１１の上面には、加工送り機構１５を跨ぐ門型のコラム２１が立設されている。コラム２１には、切削機構１４をＹ軸方向に移動（割り出し送り）させる割り出し送り機構２２と、切削機構１４をＺ軸方向に移動（切り込み送り）させる昇降機構２３と、が設けられている。

割り出し送り機構２２は、コラム２１の前面に配置されてＹ軸方向に延びる一対のガイドレール２４と、一対のガイドレール２４の間に設けられてＹ軸方向に延びるボールネジ２５とを有し、ボールネジ２５は一端部に設けたモータ２６によって回転駆動される。Ｙ軸移動テーブル２７は、ガイドレール２４に対してＹ軸方向に摺動可能に支持され、且つボールネジ２５が螺合する螺合部（図示略）を有している。モータ２６によってボールネジ２５を回転させると、Ｙ軸移動テーブル２７がＹ軸方向に移動する。

昇降機構２３は、Ｙ軸移動テーブル２７の前面に配置されてＺ軸方向に延びる一対のガイドレール２８と、Ｙ軸移動テーブル２７に支持されてＺ軸方向に延びるボールネジ２９とを有し、ボールネジ２９は一端部に設けたモータ３０によって回転駆動される。Ｚ軸移動テーブル３１は、ガイドレール２８に対してＺ軸方向に摺動可能に支持され、且つボールネジ２９が螺合する螺合部（図示略）を有している。モータ３０によってボールネジ２９を回転させると、Ｚ軸移動テーブル３１がＺ軸方向に移動する。

切削機構１４は、Ｚ軸移動テーブル３１の下端に支持されるスピンドルユニット４０を備えている。図２を参照して、スピンドルユニット４０の構造を説明する。

スピンドルユニット４０は、Ｙ軸方向に長い箱型のケーシング４１を有する。ケーシング４１の内部にスピンドル収容空間４２が形成されており、スピンドル収容空間４２にスピンドル４３が配置されている。スピンドルユニット４０は、スピンドル収容空間４２の内側面とスピンドル４３の外側面との間の隙間ＳＡ、ＳＢに高圧エアを介在させて、スピンドル４３をケーシング４１が回転可能に支持するエアベアリングを備えている。

スピンドル４３は、第１大径部４４と第２大径部４５を有している。第１大径部４４と第２大径部４５は、スピンドル４３の一部の直径を拡大した部分であり、第１大径部４４と第２大径部４５がＹ軸方向に位置をずらして配置されている。第２大径部４５よりも第１大径部４４の方が直径が大きい。また、第１大径部４４よりも第２大径部４５の方がＹ軸方向の長さが大きい。

図３に示すように、第１大径部４４のＹ軸方向の端面には、エア整流部４４１が形成されている。エア整流部４４１は、第１大径部４４の周方向に並ぶ複数の凹部によって構成されており、個々の凹部は、第１大径部４４の周方向に旋回するにつれて中心から遠ざかる渦巻き型の形状である。なお、図３は、第１大径部４４のＹ軸方向の一方の端面のみを示しているが、第１大径部４４の他方の端面にも同様にエア整流部４４１が形成されている。

図４は、第１大径部４４に設けた別の形態のエア整流部４４２を示している。エア整流部４４２は、第１大径部４４の周方向に並ぶ複数の凹部によって構成されており、個々の凹部は矢尻状の形状である。なお、図４は、第１大径部４４のＹ軸方向の一方の端面のみを示しているが、第１大径部４４の他方の端面にも同様にエア整流部４４２が形成されている。

上記形状のエア整流部４４１、４４２を設けることによって、スピンドル４３が回転方向Ｒに回転した際に、エア整流部４４１、４４２に対面する隙間ＳＡにリング状の高圧エア層Ｓａが形成される（図２、図３及び図４参照）。図３に示すように、高圧エア層Ｓａを形成する際のスピンドル４３の回転方向Ｒは、渦巻き形状のエア整流部４４１が第１大径部４４の外周側に向けて広がる方向である。また、図４に示すように、高圧エア層Ｓａを形成する際のスピンドル４３の回転方向Ｒは、矢尻形状のエア整流部４４２が広がる方向である。このように回転方向Ｒを設定することで、スピンドル４３が回転したときに、エア整流部４４１、４２２によって隙間ＳＡ内の空気が集められる。

図２に示すように、第２大径部４５の円筒状の外周面には、エア整流部４５１が形成されている。図２では、エア整流部４５１を示す目的で、第２大径部４５の大部分を断面視ではなく側面視で表している。エア整流部４５１は、第２大径部４５の周方向に並ぶ複数の凹部によって構成されており、個々の凹部は矢尻状の形状である。

上記形状のエア整流部４５１を設けることによって、スピンドル４３が回転方向Ｒに回転した際に、エア整流部４５１に対面する隙間ＳＢにリング状の高圧エア層Ｓｂが形成される（図２参照）。高圧エア層Ｓｂを形成する際のスピンドル４３の回転方向Ｒは、矢尻形状のエア整流部４５１が広がる方向に設定する。このように回転方向Ｒを設定することで、スピンドル４３が回転したときに、エア整流部４５１によって隙間ＳＢ内の空気が集められる。

第１大径部４４のエア整流部４４１、４４２によって高圧エア層Ｓａを形成する際のスピンドル４３の回転方向Ｒ（図３及び図４）と、第２大径部４５のエア整流部４５１によって高圧エア層Ｓｂを形成する際のスピンドル４３の回転方向Ｒ（図２）とが一致するように、エア整流部４４１、４４２及びエア整流部４５１の向きや配置を設定する。

スピンドル４３の一方の端部には、ブレードマウント４６が設けられている。ブレードマウント４６に対して、ハブブレード４７を着脱可能である。ハブブレード４７は、ハブ４８の側面に円環状の切削ブレード４９を備えている。ハブブレード４７を取り付ける際には、切削ブレード４９をブレードマウント４６に向けて、ハブ４８をスピンドル４３に固定する。切削ブレード４９はブレードマウント４６及びハブ４８よりも径が大きく、ブレードマウント４６から外径方向に突出した状態で固定される。

なお、切削ブレードは図示の構成には限定されない。例えば、加工具として、ハブレスタイプの切削ブレードを用いてもよい。

スピンドル４３の他方の端部には、スピンドル４３を回転させるモータ５０が配されている。モータ５０は、スピンドル４３の外周部分に取り付けられたロータ５１と、ロータ５１を囲んで配置されたステータ５２とを有する。ステータ５２はケーシング４１の内部に固定されている。ロータ５１は永久磁石で構成され、ステータ５２は導線を巻回したコイルで構成され、ステータ５２に通電することによって、スピンドル４３を回転させる力が発生する。

スピンドル収容空間４２は、ケーシング４１の内部でＹ軸方向に延びる空間である。スピンドル収容空間４２の中心を通ってＹ軸方向に延びる仮想の軸線を中心軸Ｃとする。スピンドル収容空間４２の一端は、ケーシング４１の端部に開口しており、当該開口を通してスピンドル４３の一方の端部（ブレードマウント４６を備える端部）がケーシング４１の外側に突出する。

スピンドル収容空間４２の他端側は、モータ収容部５３に連通している。モータ収容部５３の内部には、中心軸Ｃを囲む配置でステータ５２が固定されており、ステータ５２の内側にロータ５１が配置される。ケーシング４１には、モータ収容部５３の内部を外部と連通させるエア排気口５４が設けられている。

ケーシング４１の内部に、ステータ５２の外側を囲む冷却水路５５を備えている。ケーシング４１の外面に設けた冷却水供給口５６が冷却水路５５に接続しており、ケーシング４１の外部の冷却水源５７から冷却水供給口５６を介して冷却水路５５に冷却水が供給される。冷却水路５５内の冷却水は、ケーシング４１の外面に設けた冷却水排出口５８から外部へ排出される。スピンドル４３を回転させる際にモータ５０で生じる熱を、冷却水路５５を通る冷却水によって奪い、モータ５０を冷却することができる。

スピンドル収容空間４２は、Ｙ軸方向の途中に、スピンドル４３の第１大径部４４を収容する第１収容部６０と、スピンドル４３の第２大径部４５を収容する第２収容部６１とを有している。第１収容部６０は、スピンドル収容空間４２の中心軸Ｃを囲む円筒状内面６０１と、Ｙ軸方向に対向する平行な一対の側面６０２と、を有している。第２収容部６１は、スピンドル収容空間４２の中心軸Ｃを囲む円筒状内面６１１と、Ｙ軸方向に対向する平行な一対の側面６１２と、を有している。

スピンドル収容空間４２の内側面は、スピンドル４３の外側面に対して、隙間ＳＡ、ＳＢを設けて対面する。第１収容部６０においては、円筒状内面６０１と第１大径部４４の外周面との間、一対の側面６０２と第１大径部４４の両端面（エア整流部４４１、４４２が設けられている面）との間に、隙間ＳＡを有する。第２収容部６１においては、円筒状内面６１１と第２大径部４５の外周面（エア整流部４５１が設けられている面）との間、一対の側面６１２と第２大径部４５の両端面との間に、隙間ＳＢを有する。

スピンドルユニット４０は、隙間ＳＡ、ＳＢに高圧エアを供給する高圧エア供給部を備えている。具体的には、第１収容部６０の一対の側面６０２に複数の高圧エア供給部６２が形成されており、第２収容部６１の円筒状内面６１１に複数の高圧エア供給部６３が形成されている。図２では高圧エア供給部６２と高圧エア供給部６３を矢線で簡略化して記載しているが、高圧エア供給部６２と高圧エア供給部６３はそれぞれ、スピンドル収容空間４２の内側面に開口する開口部として構成されている。

スピンドルユニット４０はさらに、高圧エア供給部６２、６３と高圧エア源６４とを連通するエア供給路６５を備えている。高圧エア源６４はコンプレッサを有しており、コンプレッサで圧縮された高圧エアを送出する。高圧エア源６４から送出された高圧エアは、ケーシング４１の外面に設けたエア供給口６６を介して、ケーシング４１内のエア供給路６５に導かれて、高圧エア供給部６２、６３に達する。

高圧エア供給部６２、６３から供給された高圧エアが隙間ＳＡ、ＳＢに介在することによって、ケーシング４１によってスピンドル４３を回転可能に支持するエアベアリングが構成される。

より詳しくは、複数の高圧エア供給部６２から隙間ＳＡに供給された高圧エアによって、第１収容部６０内の第１大径部４４が、第１収容部６０の一対の側面６０２の間に浮上した状態になり、スピンドル４３をＹ軸方向に支持するスラストベアリングが構成される。複数の高圧エア供給部６３から隙間ＳＢに供給された高圧エアによって、第２収容部６１内の第２大径部４５が、第２収容部６１の円筒状内面６１１の内側に浮上した状態になり、スピンドル４３を径方向に支持するラジアルベアリングが形成される。

従って、スピンドルユニット４０は、スピンドル収容空間４２内でスピンドル４３の周囲の隙間ＳＡ、ＳＢに高圧エア源６４から高圧エアを供給することで圧力を発生して荷重を支える静圧エアベアリングを備え、静圧エアベアリングによってスピンドル４３を回転可能に支持することができる。

エア供給口６６と高圧エア源６４の間に、エア供給路６５を開閉するバルブ６７が設けられている。バルブ６７を開くことによって、高圧エア源６４からエア供給路６５へ高圧エアが供給される。

隙間ＳＡ、ＳＢに高圧エアを供給した状態で、モータ５０によってスピンドル４３を所定の回転速度以上で回転させると、スピンドル４３の回転に伴うエアの流れがスピンドル収容空間４２内で圧縮される。すると、高圧エア源６４からの高圧エアの供給が行われない状態において、スピンドル収容空間４２の内側面とスピンドル４３の外側面との間の隙間ＳＡ、ＳＢに、スピンドル４３の荷重を支えて回転可能に支持することができる高圧エア層Ｓａ、Ｓｂが形成される。この高圧エア層Ｓａ、Ｓｂが形成された後（スピンドル４３が所定の回転速度以上で回転された後）、バルブ６７を閉じて、高圧エア源６４からエア供給路６５への高圧エアの供給を遮断する。つまり、スピンドルユニット４０は、スピンドル４３の回転によって、高圧エア源６４から高圧エアの供給を閉ざした隙間ＳＡ、ＳＢに高圧エア層Ｓａ、Ｓｂを形成した動圧エアベアリングを備える。

第１大径部４４の両端面に設けたエア整流部４４１、４４２は、回転方向Ｒへのスピンドル４３の回転によって、隙間ＳＡ内のエアを狭めるような（集めるような）渦巻き形状又は矢尻形状（矢印凸形状）を有しており、スピンドル４３を回転したときに隙間ＳＡに介在するエアを回転させるとともに集めて、高圧エア層Ｓａのスラストベアリングが形成される。また、第２大径部４５の外周面に設けたエア整流部４５１は、回転方向Ｒへのスピンドル４３の回転によって、隙間ＳＢ内のエアを狭めるような（集めるような）矢印凸形状を有しており、スピンドル４３を回転したときに隙間ＳＢに介在するエアを回転させるとともに集めて、高圧エア層Ｓｂのラジアルベアリングが形成される。

静圧エアベアリングでスピンドル４３を支持する場合と、動圧エアベアリングでスピンドル４３を支持する場合のいずれにおいても、ケーシング４１に設けたエア排気口５４を通じてスピンドル収容空間４２の内部の高圧エアの圧力が調整され、過不足の無い適切なエアの圧力でスピンドル４３を支持することができる。

スピンドルユニット４０の動作は、制御部７０によって制御される。制御部７０は、制御プログラムを記憶するメモリと、制御プログラムを実行するプロセッサとを備えており、制御部７０からスピンドルユニット４０の各部に動作信号を送信して動作を制御する。制御部７０の機能ブロックとして、バルブ６７の開閉を制御する開閉制御部７１と、スピンドル４３の回転と停止とを制御するモータ制御部７２と、を有している。モータ制御部７２は、ステータ５２への通電制御によって、モータ５０によるスピンドル４３の回転と停止を行わせる。

なお、制御部７０は、切削装置１０の全体を統括制御する制御部であってもよい。この場合、スピンドルユニット４０の他に、加工送り機構１５、回転支持部２０、割り出し送り機構２２、昇降機構２３などの動作についても制御部７０が制御する。

スピンドルユニット４０は、ケーシング４１の温度を測定するケーシング温度測定部７３と、エア排気口５４から排気されるエアの温度を測定する排気温度測定部７４と、冷却水排出口５８から排出される冷却水の温度を測定する冷却水温度測定部７５と、を備えている。ケーシング温度測定部７３は、ケーシング４１の第１収容部６０付近と第２収容部６１付近の温度を測定する。ケーシング温度測定部７３、排気温度測定部７４、冷却水温度測定部７５のそれぞれの測定値は、制御部７０に入力される。

図５のフローチャートを参照して、スピンドルユニット４０及び切削装置１０の動作及び制御の流れを説明する。この動作例では、制御部７０が切削装置１０の全体を統括制御する制御部であるものとする。

被加工物１がチャックテーブル１２により保持されて切削加工の準備が整った状態で、制御部７０の開閉制御部７１がバルブ開信号を送信してバルブ６７を開かせる（ステップＳ１００）。高圧エア源６４から送出された高圧エアが、エア供給口６６及びエア供給路６５を通って、複数の高圧エア供給部６２及び複数の高圧エア供給部６３に供給される。すると、高圧エア源６４からの高圧エアが隙間ＳＡ、ＳＢに介在し、スピンドル収容空間４２の内側面に対してスピンドル４３が浮上して、ケーシング４１がスピンドル４３を回転可能に支持する（ステップＳ１０１）。

ステップＳ１０１の段階では、スピンドル４３を静圧エアベアリングの形態で支持している。ケーシング４１の第１収容部６０とスピンドル４３の第１大径部４４との隙間ＳＡがスラストベアリングとして機能し、ケーシング４１の第２収容部６１とスピンドル４３の第２大径部４５との隙間ＳＢがラジアルベアリングとして機能し、スピンドル４３が軸方向（Ｙ軸方向）と径方向のいずれにおいてもスピンドル収容空間４２の内側面に対して非接触で支持される。

続いて、制御部７０のモータ制御部７２がモータ駆動信号を送信して、モータ５０のステータ５２に通電させる。すると、ロータ５１が取り付けられたスピンドル４３が、スピンドル収容空間４２の中心軸Ｃを中心とする回転を行う（ステップＳ１０２）。スピンドル４３の回転が所定の回転速度以上になると、高圧エア源６４からの高圧エアの供給によらずに、スピンドル４３の回転によって、スピンドル４３の外側面とスピンドル収容空間４２の内側面との間の隙間ＳＡ、ＳＢに高圧エア層Ｓａ、Ｓｂが形成され、動圧エアベアリングが形成される状態になる（ステップＳ１０３）。

制御部７０は、ケーシング温度測定部７３、排気温度測定部７４、冷却水温度測定部７５などの測定結果を参照して、動圧エアベアリングが形成される状態になったか否かを判断する。つまり、隙間ＳＡ、ＳＢに介在するエアがスピンドル４３の回転に伴って、スピンドル４３の回転方向Ｒに回転されるとともに、エアが集められ高圧エア層Ｓａ、Ｓｂとなり、温度が上昇する。この温度上昇を、ケーシング温度測定部７３、排気温度測定部７４または冷却水温度測定部７５で検知して、高圧エア層Ｓａ、Ｓｂが形成されたと判断する。

なお、上記のように温度で判断する以外に、スピンドル４３の回転数で動圧エアベアリングが形成されたか否かを判断してもよい。つまり、ケーシング４１には、スピンドル４３の回転数を検知する回転検知センサ７６を備え、回転検知センサ７６が検知したスピンドル４３の回転数が、予め設定した回転数以上になったら、動圧エアベアリングが形成されたと判断してもよい。また、回転検知センサ７６を用いずにスピンドル４３の回転数を検知してもよい。例えば、モータ５０の逆起電力を測定してスピンドル４３の回転数を検知してもよい。

また、隙間ＳＡ、ＳＢのエア圧力で動圧エアベアリングが形成されたか否かを判断してもよい。つまり、ケーシング４１には、隙間ＳＡのエア圧力を測定する圧力センサ７７と、隙間ＳＢのエア圧力を測定する圧力センサ７８とを備え、スピンドル４３を回転させ圧力センサ７７、７８が測定した圧力が、予め設定した圧力値以上になったら、動圧エアベアリングが形成されたと判断してもよい。

そして、動圧エアベアリングが形成される状態になったと制御部７０が判断したら、開閉制御部７１からバルブ閉信号を送信してバルブ６７を閉じさせる（ステップＳ１０４）。バルブ６７が閉じると、高圧エア源６４からスピンドル収容空間４２の隙間ＳＡ、ＳＢへの高圧エアの供給を閉ざした状態になり、スピンドル４３が回転を継続している間は、スピンドル４３の回転で高圧エア層Ｓａ、Ｓｂを形成した動圧エアベアリングによってスピンドル４３が支持される。つまり、高圧エアを供給せずに動圧エアベアリングのみでスピンドル４３を回転させ続ける。なお、ステップＳ１０４にてバルブ６７を閉じた後、後述するステップＳ１０６でバルブ６７を開くまでの間、高圧エア源６４のコンプレッサの動作を一時的に停止させてもよい。

ステップＳ１０２でモータ５０の回転を開始する前に、ステップＳ１００及びステップＳ１０１で高圧エア源６４から隙間ＳＡ、ＳＢへの高圧エアの供給を行ってスピンドル４３を浮上させるので、スピンドル４３の外側面がスピンドル収容空間４２の内側面に衝突する動作（齧り）を抑制して、動圧エアベアリングによる支持状態へ円滑に移行させることができる。

動圧エアベアリングの高圧エア層Ｓａ、Ｓｂによってスピンドル４３を支持した状態で、切削機構１４の切削ブレード４９によって被加工物１に対する切削加工を行う（ステップＳ１０５）。

切削加工において制御部７０は、加工送り機構１５と割り出し送り機構２２とによって、Ｘ軸方向及びＹ軸方向でのチャックテーブル１２と切削ブレード４９の相対的な位置を調整させて、切削の対象である分割予定ラインの端部の上方に切削ブレード４９を位置付ける。続いて、制御部７０は、昇降機構２３によって切削機構１４をＺ軸方向の下方に移動させる。チャックテーブル１２に保持された被加工物１に対して、切削ブレード４９が回転しながら切り込まれる。

加工送り機構１５によってチャックテーブル１２（チャックテーブル１２を支持するＸ軸移動テーブル１９）をＸ軸方向に移動（加工送り）させることによって、Ｘ軸方向に延びる分割予定ラインに沿って切削加工が行われる。

一本の分割予定ラインに沿う切削加工が完了したら、制御部７０は、昇降機構２３によって切削機構１４をＺ軸方向の上方に移動させ、切削ブレード４９を被加工物１から離間させる。続いて、制御部７０は、割り出し送り機構２２によってＹ軸移動テーブル２７をＹ軸方向に移動（割り出し送り）させ、次の未切削の分割予定ラインの端部の上方に切削ブレード４９を位置付ける。そして、上記と同様に、昇降機構２３によって切削ブレード４９をＺ軸方向の下方へ移動（切り込み送り）させ、加工送り機構１５によってチャックテーブル１２をＸ軸方向へ移動（加工送り）させ、分割予定ラインに沿う切削加工を行う。

Ｙ軸方向に並ぶ全ての分割予定ラインに沿う切削が完了したら、制御部７０は、回転支持部２０によってチャックテーブル１２を９０度回転させる。これにより、チャックテーブル１２上の被加工物１は、未切削の複数の分割予定ラインがＹ軸方向に並ぶ（Ｘ軸方向に向けて延びる）状態になる。そして、上記と同様にして、未切削の全ての分割予定ラインに沿って順次切削加工を行わせる。

ステップＳ１０５の切削加工が完了するまで、制御部７０のモータ制御部７２は、モータ５０の駆動を連続させて、スピンドル４３の回転を継続させる。これにより、動圧エアベアリングによるスピンドル４３の支持を行った状態で切削加工を行うことができる。

被加工物１に対する切削加工が完了したら、制御部７０の開閉制御部７１がバルブ開信号を送信してバルブ６７を開かせる（ステップＳ１０６）。バルブ６７が開くことにより、高圧エア源６４からの高圧エアがエア供給口６６及びエア供給路６５を通って複数の高圧エア供給部６２及び複数の高圧エア供給部６３に供給され、スピンドル４３の外側面とスピンドル収容空間４２の内側面との間の隙間ＳＡ、ＳＢに、高圧エア源６４から送られた高圧エアが介在する状態になる。

続いて、制御部７０のモータ制御部７２がモータ停止信号を送信してステータ５２への通電を終了し、モータ５０に供給している電力を遮断させる。すると、モータ５０で回転力が発生しなくなり、スピンドル４３が回転を停止する（ステップＳ１０７）。制御部７０は、ケーシング温度測定部７３、排気温度測定部７４、冷却水温度測定部７５などの測定結果を参照して、スピンドル４３の回転が停止したか否かを判断する。また、モータ５０の逆起電力を測定して、スピンドル４３の回転が停止したか否かを判断してもよい。また、回転検知センサ７６の検知結果を参照して、スピンドル４３の回転が停止したか否かを判断してもよい。スピンドル４３の回転が停止したと判断されたら、制御部７０の開閉制御部７１がバルブ閉信号を送信して、バルブ６７を閉じさせる（ステップＳ１０８）。

ステップＳ１０７でモータ５０の回転を停止する前に、ステップＳ１０６で高圧エア源６４から隙間ＳＡ、ＳＢへの高圧エアの供給を行い静圧エアベアリングが形成されているので、モータ５０の停止に伴ってスピンドル４３の回転数が低下して動圧エアベアリングが消滅されても、スピンドル４３の外側面がスピンドル収容空間４２の内側面に衝突する動作（齧り）を防止して、スピンドル４３の回転を円滑に停止させることができる。

以上のように、本実施形態のスピンドルユニット４０及び切削装置１０では、スピンドル４３の回転によって、高圧エア源６４から高圧エアの供給を閉ざした隙間ＳＡ、ＳＢに高圧エア層Ｓａ、Ｓｂを形成した動圧エアベアリングを備える。そして、加工具である切削ブレード４９を回転させて被加工物１を加工する際に、高圧エア源６４から高圧エアを供給せずに、動圧エアベアリングのみでスピンドル４３を回転させ続ける。高圧エア源６４からのスピンドル収容空間４２への高圧エアの供給は、動圧エアベアリングを形成する前にスピンドル４３を浮上させる段階（ステップＳ１００、ステップＳ１０１）と、加工後にモータ５０を停止するまでの段階（ステップＳ１０６）のみで行う。従って、一連の加工動作におけるエア消費量を少なくすることができる。エア消費量を抑制することにより、スピンドルユニット４０の運用コストを軽減して効率的な運用を実現できる。

動圧エアベアリングは、スピンドルを安定して支持できる十分なエアの圧力をスピンドルの回転によって生じさせる必要があるので、スピンドルを高い回転数で運転させる加工装置に適している。本実施形態の切削装置１０は、加工に際してスピンドル４３を高速回転させるので、加工中に動圧エアベアリングによってスピンドル４３を支持するのに適している。

しかし、本発明の適用は切削装置に限定されるものでなく、研削装置や研磨装置など、回転する加工具をスピンドルを介して支持する加工装置全般に適用が可能である。

図５のフローチャートでは、ステップＳ１０１でスピンドル４３を浮上させた後に、自動的にステップＳ１０３で動圧エアベアリングに切り替える状態に進むが、動圧エアベアリングに切り替えるか否かを判断するステップを含めることも可能である。

例えば、高圧エア源６４からの高圧エアの供給を継続的に行う静圧エアベアリングは、スピンドル４３の回転数が低い状態でも軸受として機能する。そのため、加工時のスピンドル４３の回転数を判定条件として設定し、スピンドル４３の回転数が所定値よりも低い加工条件で被加工物１を加工する場合には、ステップＳ１０３での動圧エアベアリングへの切り替えを行わずに、高圧エア源６４から隙間ＳＡ、ＳＢへの高圧エアの供給を継続して（つまり、静圧エアベアリングを形成したままで）切削加工を実行してもよい。

また、被加工物１の硬さや厚みに応じて、切削加工時にスピンドル４３へ加わる荷重が異なる。そして、動圧エアベアリングに比べて静圧エアベアリングは、スピンドル４３に加わる荷重が比較的大きい場合の支持に適している。そのため、被加工物１の硬さや厚みなどの加工条件を判定条件として設定し、硬い被加工物１や厚みが大きい被加工物１を切削加工する場合には、ステップＳ１０３での動圧エアベアリングへの切り替えを行わずに、高圧エア源６４から隙間ＳＡ、ＳＢへの高圧エアの供給を継続して（つまり、静圧エアベアリングを形成したままで）切削加工を実行してもよい。

なお、本発明の実施の形態は上記の実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。従って、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

以上に説明したように、本発明のスピンドルユニット及び加工装置は、エアベアリング用のエアの消費量を低減することが可能であり、エアベアリングで回転可能に支持されるスピンドル及び加工具を備えた加工装置において有用性が高い。

１：被加工物
１０：切削装置（加工装置）
１２：チャックテーブル
１４：切削機構（加工ユニット）
１５：加工送り機構
２２：割り出し送り機構
２３：昇降機構
４０：スピンドルユニット
４１：ケーシング
４２：スピンドル収容空間
４３：スピンドル
４４：第１大径部
４５：第２大径部
４６：ブレードマウント
４９：切削ブレード（加工具）
５０：モータ
５１：ロータ
５２：ステータ
５３：モータ収容部
５４：エア排気口
５５：冷却水路
５６：冷却水供給口
５７：冷却水源
５８：冷却水排出口
６０：第１収容部
６１：第２収容部
６２：高圧エア供給部
６３：高圧エア供給部
６４：高圧エア源
６５：エア供給路
６６：エア供給口
６７：バルブ
７０：制御部
７１：開閉制御部
７２：モータ制御部
７３：ケーシング温度測定部
７４：排気温度測定部
７５：冷却水温度測定部
７６：回転検知センサ
７７：圧力センサ
７８：圧力センサ
４４１：エア整流部
４４２：エア整流部
４５１：エア整流部
６０１：円筒状内面
６０２：側面
６１１：円筒状内面
６１２：側面
Ｃ：中心軸
ＳＡ：隙間
ＳＢ：隙間
Ｓａ：高圧エア層
Ｓｂ：高圧エア層

Claims

先端に加工具を装着し回転するスピンドルと、該スピンドルの外側面に隙間を設け該外側面に対面する内側面を有するケーシングと、該隙間に高圧エアを介在させ該スピンドルを該ケーシングが回転可能に支持するエアベアリングと、該スピンドルを回転させるモータと、を備えるスピンドルユニットであって、
該隙間に高圧エアを供給する高圧エア供給部と、該スピンドルの回転によって該高圧エア源から高圧エアの供給を閉ざした該隙間に高圧エア層を形成した動圧エアベアリングと、を備えるスピンドルユニット。
被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルに保持された被加工物を請求項１記載のスピンドルユニットのスピンドルの先端に装着し回転する加工具で加工する加工ユニットと、制御部と、を備える加工装置であって、
該高圧エア供給部と高圧エア源とを連通するエア供給路と、該エア供給路を開閉するバルブと、該バルブの開閉を制御する開閉制御部と、該スピンドルの回転と停止とを制御するモータ制御部と、を備え、
該制御部は、
該スピンドルを回転させる際は、該開閉制御部によって該バルブを開き該隙間に高圧エアを供給して該ケーシングから該スピンドルを浮上させることと、該モータ制御部によってモータに電力を供給して該スピンドルを回転させ該動圧エアベアリングを形成させることと、該開閉制御部によって該バルブを閉じ高圧エアを供給せず該動圧エアベアリングのみでスピンドルを回転させ続けることと、
該スピンドルの回転を止める際は、該開閉制御部によって該バルブを開き該隙間に高圧エアを供給することと、該モータ制御部によってモータに供給している電力を遮断することと、を制御して、
該動圧エアベアリングによって回転する該スピンドルを支持し、該加工具で被加工物を加工する、加工装置。