JP3921019B2

JP3921019B2 - 研削方法及びこの研削方法に使用する研削装置

Info

Publication number: JP3921019B2
Application number: JP34261699A
Authority: JP
Inventors: 力岩田
Original assignee: 日立ビアエンジニアリング株式会社
Priority date: 1999-12-01
Filing date: 1999-12-01
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2019-12-01
Also published as: JP2001157961A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転の軸心が横向きの砥石とワークとを、所定圧で軸心方向に当接させ、ワークの軸心と直角な面を加工する研削方法と、この研削方法に使用される研削装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、研削装置は、ワークの材質が例えば鉄の場合、砥石による研削加工のみで加工面を平坦に仕上げることができる。しかし、ワークの材質が脆性材料（例えばシリコンウエハ）の場合、砥石による研削加工のみでは加工面を平坦に仕上げることができなかった。
【０００３】
このため、脆性材料の場合は、砥石による研削加工を行った後、ラッピング加工を行って、加工面を平坦に仕上げていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このため、加工工程が増加し、作業能率を上げることができなかった。
【０００５】
ところで、近年、シリコンウエハのような脆性材料であっても、切り込み量をナノメータ（１／１０００μｍ）単位の微小な値にすると、加工面の平坦度をラッピング仕上げと同等にできることが知られてきた。ナノメータ（１／１０００μｍ）単位の送り量を制御することができる駆動装置としては、例えば圧電素子がある。しかし、圧電素子１個当りの移動ストロークは短いので、工作機械の送り機構に採用する場合、ストロークの長い他の送り装置と併用する必要がある。例えば、他の送り装置としてボールねじを使用する場合、工具あるいはワークの位置決め精度は、ボールねじの位置決め精度で決定される。
【０００６】
ボールねじで位置決めする場合、リニアスケールを用いるとしても、位置決め精度は１μｍ程度である。このため、ボールねじの位置決め誤差を考慮して、加工開始時には砥石をワークに対し約２μｍ程度の距離を空けて位置決めする必要がある。
【０００７】
圧電素子を使用する場合、圧電素子の制御装置をＮＣ制御装置とは別に設ける必要があるだけでなく、発熱量の大きい圧電素子を冷却するため、駆動系に圧電素子の冷却手段を設ける必要があり、研削装置が高額であった。
【０００８】
本発明は、例えば、シリコンウエハのような脆性材料であっても、砥石による研削加工だけで加工面をラッピング加工した場合と同等の平坦度を得ることができ、しかもナノメータ単位の移動量制御を必要としない研削方法と、この研削方法に使用される研削装置とを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の研削方法は、砥石保持体（５）に軸心を横向きにして砥石（７）を保持し、前記砥石（７）に対向させてワーク保持体（８）に軸心を横向きにしてワーク（１０）を保持した後、前記砥石保持体（５）と前記ワーク保持体（８）との内、一方の保持体（８）を固定し他方の保持体（５）を軸心方向に移動可能にした状態で、前記砥石保持体（５）と前記ワーク保持体（８）とを積載した架台（１）を前記他方の保持体（５）が載置された側を傾斜手段（２）によって上昇傾動させ、前記他方の保持体（５）を自重によって前記一方の保持体（８）に接近移動させて、前記ワーク（１０）に前記砥石（７）を相対的に切り込ませるようになっている。
【００１０】
本発明の研削装置（１００）は、軸心を横向きにして砥石（７）を保持する砥石保持体（５）と、軸心を横向きにし、且つ前記砥石（７）に対向させてワーク（１０）を保持するワーク保持体（８）と、前記砥石保持体（５）と前記ワーク保持体（８）とが積載され、かつ前記砥石保持体（５）と前記ワーク保持体（８）との内、一方の保持体（８）に対して他方の保持体（５）が接近離間可能に積載されている架台（１）と、前記架台（１）を傾斜させる傾斜手段（２）と、前記架台（１）が傾斜して前記他方の保持体（５）が自重によって移動したとき前記他方の保持体（５）を受け止める受止手段（２５）と、を備え、前記受止手段（２５）と前記他方の保持体（５）との間に、移動方向の所定量の遊び隙間（Ｓ１）を設け、前記傾斜手段（２）によって前記架台（１）の前記他方の保持体（５）が載置された側を上昇させることにより、前記他方の保持体（５）を自重により前記一方の保持体（８）に対して前記遊び隙間（Ｓ１）を狭める方向に移動させ、前記砥石（７）を前記ワーク（１０）に相対的に切り込ませるようになっている。
【００１１】
（作用）
本発明の研削装置は、ワーク（１０）を砥石保持体（５）の砥石（７）に対向させてワーク保持体（８）に保持し、砥石保持体（５）の移動方向の側の、受止手段（２５）と砥石保持体（５）との間の遊び隙間を空けた状態にしておく。その後、傾斜手段（２）によって架台（１）の砥石保持体（５）が載置された側を上昇傾動させる。すると、砥石保持体（５）が、遊び隙間を狭める方向に自重によって移動し、砥石（７）がワーク（１０）に切り込み、ワーク（１０）を研削する。
【００１２】
なお、括弧内の符号は、便宜的に、図面と対照し易くするために付したものであって、本発明の構成を何ら限定するものではない。また、砥石保持体（５）が移動するようになっているが、ワーク保持体（７）が移動するようになっていてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の研削装置を図１乃至図５に基づいて説明する。
図１は研削装置１００の正面図である。図２は砥石７とワーク１０との部分平面図である。架台である石材製のベッド１は、傾き補正機能を持つ傾斜手段であるエアダンパ式除振装置２（以下、除振装置という。）上に支持されている。除振装置２は、ベッド１の上面１ａに配設された傾斜計３のデータに基づいて、不図示の外部コントローラからの指令により上面１ａを水平に保つ機能と、水平面に対して微少角度傾斜させる機能とを備えている。
【００１４】
ベッド１上の一方には、ベッド１に対して矢印Ｘ方向に移動可能なテーブル４が配設されている。そして、テーブル４上には、砥石保持体である主軸ユニット５が主軸６の軸心Ｏを上面１ａと平行になるようにして固定されている。主軸６は空気静圧軸受けを介して主軸ユニット５に回転自在に支持されており、主軸６の先端には研削部７ａの幅ｗが正面加工用のカップ型の砥石７が取付けられている。ベッド１上の他方には、主軸６と対向してワーク保持体であるワークヘッド８が固定されている。ワーク保持器９は空気静圧軸受けを介してワークヘッド８に回転自在に支持されており、先端には円形のワーク１０が保持されている。
【００１５】
図２に示すように、ワーク保持器９の回転軸の軸心Ｐは、主軸ユニット５の主軸６の軸心Ｏと平行かつ上面１ａからの矢印Ｚ方向の高さが同一であり、矢印Ｙ方向に距離ａだけ離れている。通常、距離ａは、研削部７ａの幅方向の中心が軸心Ｐに一致するように設定される。
【００１６】
テーブル４の駆動手段について、図３、図４に基づいて説明する。
図３は図１の一部側面断面図、図４は図３のＡ−Ａ矢視断面図である。ボールねじ２０は、両端をテーブルベース２１に固定された軸受けブロック２２，２２により回転可能に支持され、モータ２３に回転駆動される。ボールねじ２０にはナット２４が螺合している。ナット２４の上部には厚さｔの長方形の板状のプレート２５が矢印Ｙ方向に延びて固定されている。そして、テーブル４の下面に形成された矢印Ｙ方向の溝部４ａがプレート２５に嵌合している。ボールねじ２０とナット２４は、移動手段３３を構成している。溝部４ａの幅Ｔは、プレート２５の厚さｔより２α（ここでは、α＝約１０μｍ）広く設定されている。
【００１７】
テーブル４には、空気静圧受部を構成する、圧縮空気を供給する第１の通路２６と第２の通路２７とが形成されている。通路２６の一方の端部は、溝部４ａの両側面に開口し、他方の端部２６ａは不図示の圧縮空気源に接続されている。この通路２６と、溝部４ａとプレート２５との隙間Ｓ１，Ｓ１によって、保持体許動流体流路３１が形成されている。また、通路２７の一方の端部はテーブルベース２１の両側に設けられた軌道部の上下方向の表面２１ａ，２１ｂおよび水平方向の側面２１ｃ，２１ｄに対向する位置に開口し、他方は不図示の圧縮空気源に接続されている。この通路２７と、隙間Ｓ２、Ｓ２は、保持体支持流体流路３２を構成している。隙間Ｓ２は、テーブルベース２１に対する上面２１ａ、下面２１ｂ、側面２１ｃ，２１ｄとの間の隙間のことである。
【００１８】
次に、研削装置１００の動作を説明する。
ベッド１を水平にした状態で、通路２６と通路２７に圧縮空気を供給する。すると、通路２６から供給された空気圧により、溝部４ａの両側面はプレート２５から等距離の位置、すなわち、溝部４ａとプレート２５の側面との間に１０μｍの遊び隙間Ｓ１，Ｓ１が空いて位置決めされる。また、テーブル４は通路２７から供給された空気圧により支持され、軌道部の表面２１ａ、２１ｂおよび上面２１ｃ、下面２１ｄから予め定める遊び隙間Ｓ２が空いて位置決めされる。
【００１９】
次に、主軸６とワーク保持器９を回転させると共に、モータ２３を回転させ、砥石７をワーク１０の表面から２μｍ離れた位置に位置決めする。そして、除振装置２を動作させ、図５に示すように、ベッド１を予め定める角度θだけ右上がりに傾けると共に、通路２６に対する圧縮空気の供給を停止する。すると、重力によりテーブル４は図１の左方に移動し、砥石７がワーク１０に当接する。砥石７がワーク１０に当接してから予め求めておく研削に要する時間が経過した後、再び通路２６に圧縮空気を供給し、砥石７をワーク１０から離す。そして、除振装置２を動作させ、ベッド１を水平に戻した後、砥石７を待機位置に戻す。
【００２０】
本実施形態の研削装置１００において、遊び隙間Ｓ１は、流体流路になっているため、流体の流入出によって、主軸ユニット５の移動を制御して、砥石とワークとが密接するときの衝撃エネルギーを小さくできる。
【００２１】
次に、具体的な数値を示して説明する。
テーブル４の重量とテーブル４に載置されている主軸ユニット５等の重量の合計をＷｋｇ、テーブル４とテーブルベース２１との摩擦抵抗をμとすると、ベッド１の上面１ａに平行な分力Ｆは、Ｆ＝Ｗｓｉｎθ−Ｗμとして求められる。ここで、テーブル４は通路２７に流入した圧縮空気によって支持されており、摩擦抵抗μは０とみなすことができる。したがって、上記重量Ｗが６００ｋｇ、砥石７とワーク１０の直径がそれぞれ３００ｍｍ、研削部７ａの幅ｗが１０ｍｍの場合、角度θを０．０１度にすると、上記分力Ｆは約１ｋｇ、加工時に砥石７がワーク１０を付勢する加圧力は略３３ｇ／ｃｍ２で一定になる。
【００２２】
この結果、切り込み量は微少になり、砥石７の送り量を管理しなくてもワーク１０の加工面を平坦に仕上げることができる。しかも、従来の圧電素子等の微小移動装置を用いることなく、加工することができる。
【００２３】
なお、上記では、砥石７をワーク１０に近づける際、通路２６に圧縮空気を供給するようにしたが、圧縮空気を供給せず、プレート２５の左側面で溝部４ａの左側面を押しながら砥石７をワーク１０に近づけてからベッド１を傾けてもよい。このようにすると、プレート２５の右側面と溝部４ａの右側面との間に２０μｍの隙間Ｓ１が形成されるので、ボールねじ２０の位置決めを上記の場合に比べて緩やかな精度にすることができる。
【００２４】
また、上記ではテーブル４を空気静圧受部で支持するようにしたが、ベアリングで支持するようにしても良い。
【００２５】
さらに、テーブル４にワーク保持器９を載置させ、主軸ユニット５を固定してもよい。また、プレート２５と溝４ａに相当する構成をワーク保持器９側に設けてもよい。さらに、ワーク保持器９を微小距離移動できるように構成してもよい。
【００２６】
また、以上の説明において、示した数値は、理解を容易にするため、示した数値であって、本発明は、その数値に限定されるものではない。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の研削装置は、軸心が横向きの砥石保持体とワーク保持体とのいずれか一方を軸心方向に移動可能にしておき、重力により他方が一方に近づくようにして両者を傾け、他方の重量の正弦成分を加圧力として、予め定める加圧力を付加しながら軸心方向に当接させ、ワークの軸心と直角な面を加工するようにしたので、加圧力を微少な値かつ一定に維持することができ、微小送り機構（例えば、圧電素子）を設けなくても、安価で且つ微少研削が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の研削装置の正面図である。
【図２】図１の砥石とワークとの部分平面図である。
【図３】図１の一部側面断面図である。
【図４】図３の矢視Ａ−Ａ断面図である。
【図５】研削装置でワーク研削加工時の動作説明図である。
【符号の説明】
Ｓ１，Ｓ２遊び隙間
１ベッド（架台）
２除振装置（傾斜手段）
４テーブル
５主軸ユニット（砥石保持体）
６主軸
７砥石
８ワークヘッド（ワーク保持体）
１０ワーク
２０ボールねじ
２４ナット
３３移動手段

Claims

砥石保持体に軸心を横向きにして砥石を保持し、前記砥石に対向させてワーク保持体に軸心を横向きにしてワークを保持した後、
前記砥石保持体と前記ワーク保持体との内、一方の保持体を固定し他方の保持体を軸心方向に移動可能にした状態で、
前記砥石保持体と前記ワーク保持体とを積載した架台を前記他方の保持体が載置された側を傾斜手段によって上昇傾動させ、
前記他方の保持体を自重によって前記一方の保持体に接近移動させて、前記ワークに前記砥石を相対的に切り込ませることを特徴とする研削方法。
軸心を横向きにして砥石を保持する砥石保持体と、
軸心を横向きにし、且つ前記砥石に対向させてワークを保持するワーク保持体と、
前記砥石保持体と前記ワーク保持体とが積載され、かつ前記砥石保持体と前記ワーク保持体との内、一方の保持体に対して他方の保持体が接近離間可能に積載されている架台と、
前記架台を傾斜させる傾斜手段と、
前記架台が傾斜して前記他方の保持体が自重によって移動したとき前記他方の保持体を受け止める受止手段と、を備え、
前記受止手段と前記他方の保持体との間に、移動方向の所定量の遊び隙間を設け、
前記傾斜手段によって前記架台の前記他方の保持体が載置された側を上昇させることにより、前記他方の保持体を自重により前記一方の保持体に対して前記遊び隙間を狭める方向に移動させ、前記砥石を前記ワークに相対的に切り込ませることを特徴とする研削装置。
前記砥石保持体と前記ワーク保持体との内、一方の保持体に対して他方の保持体を接近離間させる移動手段を備え、
前記移動手段は前記受止手段と兼用されている請求項２に記載の研削装置。