JP5350872B2 - 工具マウントに切削工具を装着する装着方法及びこれに使用される装着治具 - Google Patents

Description

本発明は、回転スピンドルに装着された工具マウントに切削工具を装着する装着方法及びこれに使用される装着冶具に関する。

下記特許文献１に開示されている如く、半導体ウエーハをダイシングするのに好都合に使用される切削装置においては、高速回転される回転スピンドルに工具マウントを装着し、そしてこの工具マウントに切削工具を装着している。工具マウントは、スピンドルの軸線方向に延在する円筒形状の装着面とこの装着面の片端から半径方向外方に延出する環状受面を有する。切削工具は、工具マウントの装着面に嵌合される装着孔を有する基台とこの基台に固定され基台から半径方向外方に延出している環状ブレードとから構成されている。切削工具の基台を工具マウントの装着面上に嵌合し、基台の片面を工具マウントの受面に当接せしめて、工具マウントに切削工具が装着される。

特開平９−３１４４６５号公報

当業者には周知の如く、従来、工具マウントの装着面の直径Ｄ１と切削工具の装着孔の直径Ｄ２との公差（Ｄ２−Ｄ１）を５乃至１５μｍ程度に設定していた。しかしながら、このような公差の場合、本発明者の経験によれば、スピンドルの回転速度が比較的小さい時（例えば１００００乃至１４０００ｒｐｍ）には特に問題が発生することはないが、スピンドルの回転速度が相当高速（例えば１４０００乃至１０００００ｒｐｍ）になると、スピンドルに許容し得ない振動が発生することが判明している。かかる事実は上記公差に起因して工具マウントに切削工具が偏心して装着されることによる。そこで、近時においては、上記公差を著しく小さく、例えば５μｍ以下、に設定することが提案されている。然るに、上記公差を著しく小さく設定すると、工具マウントの装着面に切削工具の基台を嵌合する操作が著しく困難になってしまう。

本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、上記公差が著しく小さい場合でも充分容易に工具マウントの装着面に切削工具を嵌合することができ、そしてまた上記公差が比較的大きい場合には工具マウントに対する切削工具の偏心を可及的に減少することができる、新規且つ改良された装着方法及び装着治具を提供することである。

本発明者は、鋭意研究及び実験の結果、工具マウントに切削工具を装着する際に工具マウントをその中心軸線に対して垂直な方向に超音波振動せしめると上記公差が著しく小さい場合でも充分容易に工具マウントの装着面に切削工具を嵌合することができ、そしてまた上記公差が比較的大きい場合には工具マウントに対する切削工具の偏心を可及的に減少することができることを見出した。そしてまた、工具マウントに切削工具を装着する際に工具マウントをその中心軸線に垂直な方向に超音波振動せしめるために好適に使用することができる装着冶具として、切削工具の装着孔を受け入れる円筒形状の外周面を有する支持部材とこの支持部材に連結された超音波振動発振手段とを含む装着冶具及び装着方法を開発した。

本発明の一局面によれば、上記技術的課題を達成する装着方法として、回転スピンドルに装着され且つ該スピンドルの軸線方向に延在する円筒形状の装着面と該装着面の片端から半径方向外方に延出する環状受面を有する工具マウントに、該装着面に嵌合される装着孔を有する基台と該基台に固定され該基台から半径方向外方に延出する環状ブレードとから構成された切削工具を装着するための装着方法にして、
該工具マウントをその中心軸線に垂直な方向に超音波振動せしめながら該環状ブレードを該切削工具に装着することを特徴とする装着方法が提供される。

また、本発明の他の局面によれば、上記技術的課題を達成する別の装着方法として、回転スピンドルに装着され且つ該スピンドルの軸線方向に延在する円筒形状の装着面と該装着面の片端から半径方向外方に延出する環状受面を有する工具マウントに、該装着面に嵌合される装着孔を有する基台と該基台に固定され該基台から半径方向外方に延出する環状ブレードとから構成された切削工具を装着するための装着方法にして、
該工具マウントに該切削工具を装着した後に、該工具マウントをその中心軸線に垂直な方向に超音波振動せしめることを特徴とする装着方法が提供される。

即ち、本発明の更に他の局面によれば、上記技術的課題を達成する装着治具として、回転スピンドルに装着され且つ該スピンドルの軸線方向に延在する円筒形状の装着面と該装着面の片端から半径方向外方に延出する環状受面を有する工具マウントに、該装着面に嵌合される装着孔を有する基台と該基台に固定され該基台から半径方向外方に延出する環状ブレードとから構成された切削工具を装着するための装着冶具にして、
該切削工具の該装着孔を受け入れる円筒形状の外周面を有する支持部材と該支持部材に連結された超音波振動発振手段とを含み、該支持部材の先端を該工具マウントの先端に密接せしめて該超音波振動発振手段を作動せしめることによって該工具マウントをその中心軸線に垂直な方向に振動せしめる、ことを特徴とする装着冶具が提供される。

好適には、該回転スピンドルにはその先端面に開口した雌ネジ孔が形成されており、該支持部材にはその先端面から延出し且つ該雌ネジ孔に螺合せしめられる雄ネジが形成されているネジロッドが固定されており、該雌ネジ孔に該ネジロッドの該雄ネジを螺合することによって、該回転スピンドルに装着された該工具マウントの先端に該支持部材の先端が密接される。

本発明の装着方法によれば、上記公差が著しく小さい場合には、装着冶具によって工具マウントをその中心軸線に対して垂直な方向に超音波振動させながら、装着冶具の支持部材に嵌合した切削工具の基台を工具マウントの装着面に向けて移動させることによって、充分容易に工具マウントに切削工具を装着することができる。他方、上記公差が比較意的大きい場合には、工具マウントの装着面に切削工具の基台を嵌合した後に、装着冶具によって工具マウントをその中心軸線に対して垂直な方向に超音波振動させ、かくして工具マウントに対する切削工具の偏心を可及的に低減することができる。本発明の装着治具は、工具マウントをその中心軸線に対して垂直な方向に超音波振動せしめるのに好適に使用することができる。

スピンドル機構と、スピンドル機構に装着される切削工具との関係を示す分解斜視図。 スピンドル機構と、スピンドル機構に装着される切削工具との関係を示す正面図。 装着治具を示す断面図。 装着治具を示す斜視図。 装着治具を示す分解斜視図。 装着治具を使用して切削工具を工具マウントへ装着する第一の実施例を示す概略図。 装着治具を使用して切削工具を工具マウントへ装着する第二の実施例を示す概略図。

以下、添付図面を参照して更に詳細に説明する。

図１には、切削工具２が装着されるスピンドル機構４が図示されている。スピンドル機構４は、ハウジング６とこのハウジング６内にエアー軸受け構造（図示しない）で回転可能に支持されたスピンドル８を含み、スピンドル８の先端部はハウジング６から突出して配設されている。スピンドル８の先端部は先端に向かって細くなるテーパ形状に形成され、先端部には先端面に開口した雌ネジ孔１０が形成されている。

図１に図示するように、スピンドル８の先端には工具マウント１２が装着され、固定ボルト１３により固定され装着される。そして、この工具マウント１２に切削工具２が装着される。工具マウント１２は、図２に図示するように、スピンドル８の軸心方向に延出し且つ円筒形状の装着面１４を表面に有する円筒部１６と略円錐台形状の受部１５とを有する。受部１５の前端面（図２において左端面）は、装着面１４から半径方向外方に延出して、切削工具２を受ける環状受面１８を構成している。受部１５の内部にはスピンドル８の先端のテーパ部に嵌合する嵌合孔２０が形成されている。また、円筒部１６の先端部の表面にはマウントナット２２が螺合するネジ部２４が形成され、先端には中心軸線に対して垂直な平面をなす先端面２５aと円錐台形状の内周部２５bを有する。円筒部１６の内部には固定ボルト１３が挿入される挿入孔２６が形成され、挿入孔２６は嵌合孔２０に連通している。このように構成された工具マウント１２は、嵌合孔２０がスピンドル８の先端テーパ部に嵌合され、固定ボルト１３が挿入孔２６に挿入されスピンドル８の先端部の雌ネジ孔１０に螺合されスピンドル８に固定される。

工具マウント１２に装着される切削工具２は、工具マウント１２の装着面１４に嵌合される装着孔２８を有する基台３０と、この基台３０に固定され基台３０から半径方向外方に延出する環状ブレード３２とから構成されている。かかる切削工具２の基台３０を工具マウント１２の装着面１４上に嵌合し、基台３０の片面を工具マウント１２の環状受面１５に当接せしめて、工具マウント１２に切削工具２が装着される。その後、工具マウント１２のネジ部２４にマウントナット２２が螺合することによって、切削工具２は工具マウント１２に固定される。

続いて、本発明にかかる装着治具３４の実施形態について図３乃至図５を参照して説明する。装着治具３４は、切削工具２の装着孔２８を受入れる円筒形状の外周面を有する支持部材３６と円環形状の超音波振動発振手段３８とを含んでいる。支持部材３６は円柱形状のステンレスで形成されている。支持部材３６の外周面は切削工具２の装着孔２８の内径よりも１０〜１５μｍ小さい外周径に形成されており、切削工具２が支持部材３６の外周面を摺動し易い大きさに構成されている。支持部材３４の両端（片端４３及び他端４４）は、外周面に垂直な平坦な面に形成されている。他端４４側の支持部材３６の外周面上には軸線方向と垂直に外方に延出した円環突出部４１が形成されている。さらに、支持部材３６には軸心方向に貫通するネジ穴（図示していない）が形成され、このネジ穴には表面に雄ネジ４２が形成されたネジロッド４０が螺合されている。ネジロッド４０はその両端が支持部材３６の両端から突出する長さに形成されている（図５参照）。

支持部材３６の他端４４側には超音波振動発振手段３８が固定されている（図４参照）。超音波振動発振手段３８は、円環形状のＰＺＴ等のセラミック振動子３９と、セラミック振動子３９の両端に接続され且つセラミック振動子３９と同形状の電極４６及び４８と、で形成されている。図５に示すように、電極４６及び４８に挟まれたセラミック振動子３９は、ブロック５０により支持部材３６の他端４４に固定される。即ち、支持部材３６の他端４４から突出したネジロッド４０に、ブロック５０の内部に形成された図示しない雌ネジが螺合することにより、超音波振動発振手段３８がブロック５０と支持部材３６の他端４４との間に挟持されている。かような超音波振動発振手段３８は、一般にボルト締め振動子と称されている。

図３に戻って説明を続けると、電極４６、４８はリードワイヤ５２を介してソケット５４に接続されている。ソケット５４を介して電極４６及び４８に外部の電源から通電することによりセラミック振動子３９に超音波振動を発生させる。通電電流値を制御することで超音波振動発振手段３８における振動量を調整する。即ち通電電流値が増加すると振動量も増加する。また、図３及び図４に図示するように、キャップ形状のカバー部材５６が、超音波振動発振手段３８及びリードワイヤ５２を囲繞して支持部材３６の円環突出部４１に皿ネジ１２で固定されている。カバー部材５６は樹脂で形成されており、その外径は円環突出部４１の外周径と同サイズに構成されている。カバー部材５６の端部には上記ソケット５４が配設されている。カバー部材５６は、オペレータが装着作業をする際に把持するためのものである。

工具マウント１２の装着面１４の直径Ｄ１と切削工具２の装着孔２８の直径Ｄ２との公差（Ｄ２−Ｄ１）が著しく小さい場合（例えば５μｍ）において、上記のように構成された装着治具３４を使用して、工具マウント１２に切削工具２を装着する第一の実施方法を図６を参照して説明する。最初に、工具マウント１２をスピンドル８に固定している固定ボルト１３を取り外す。そして、予め切削工具２の装着孔２８を装着治具３４の片端４３側から挿入し、切削工具２を支持部材３６上を摺動させ基台３０側が円環突出部４１に当接する位置に載置する（図６（a）参照）。次いでネジロッド４０を工具マウント１２の挿入孔２６に挿入し、ネジロッド４０の突出した雄ネジ部４２をスピンドル８の先端部に形成された雌ネジ孔１０に螺合する。支持部材３６の先端４３を工具マウント１２の円筒部１６の先端２５に接触するまで螺合し、支持部材３６の先端４３が工具マウント１２の先端面２５aに密接させる（図６（a））。即ち、支持部材３６から工具マウント１２へ超音波振動が適切に伝播されるのに十分なトルクで密接させる。この際トルクレンチを使用して装着治具３４を締め付けるようにしてもよい。

装着治具３４が工具マウント１２に固定されたならば、ソケット５４に外部電源を連結し超音波振動発振手段３８に通電が開始され、超音波振動が発生する。超音波振動発振手段３８で発生した超音波振動は図６（ｂ）で示す振動波形Ｗで支持部材３６及び工具マウント１２に伝播する。振動波形Ｗは共振による超音波振動の瞬間的な変位（振動振幅）を表す。支持部材３６及び工具マウント１２には超音波振動に共振する最小振動振幅点f1、f2、f3が存在する。工具マウント１２の装着面１４は最小振動振幅点f3に位置するため、縦振動で伝播する超音波振動は軸線に垂直な方向（図６（ｂ）の矢印の方向）に振動が変換する（図６（b））。最小振動振幅点がちょうど工具マウント１２の装着面１４に位置するように支持部材３６の軸線方向の長さ、材質が選択されて形成されている。

第一の実施方法おいては、上記記載のように、例えば１μm程度の超音波振動を装着面１４に発生させる。次いで装着治具３４の支持部材３６に挿入されている切削工具２を、支持部材３６から工具マウント１２の装着面１４に至るまで、最終的に切削工具２の基台３０が工具マウント１２の環状受面１８に接触するまで摺動する（図６（ｃ））。この際、工具マウント１2と切削工具２は嵌め合い公差が小さい（５μm以下）が、装着面１４が軸心に垂直な方向に１μm程度の振幅で振動しているため見かけの摩擦係数が低減し、円滑に摺動させることができる。超音波振動による摩擦低減効果のメカニズムに関しては、接触時には物体間本来の摩擦力が作用するが、非接触時には摩擦が作用しない（摩擦力が０となる）ため、時間平均すると見かけの摩擦力が低減すると推定している。かくして、装着冶具３４によって工具マウント１２をその中心軸線に対して垂直な方向に超音波振動させながら、装着冶具３４の支持部材３６に嵌合した切削工具２の基台３０を工具マウント１２の装着面１４に向けて移動させることによって、充分容易に工具マウント１２に切削工具２を装着することができる。

その後、装着治具３４を取り外し、固定ボルト１３を挿入孔２６に挿入しスピンドル８の先端部の雌ネジ孔１０に螺合しスピンドル８に固定する。次いで、マウントナット２２を工具マウント１２の円筒部１６のネジ部２４に螺合し、マウントナット２２により切削工具２は工具マウント１２に固定される。

続いて、工具マウント１２の装着面１４の直径Ｄ１と切削工具２の装着孔２８の直径Ｄ２との公差（Ｄ２−Ｄ１）が比較的大きい場合（５μm〜１５μm）において、装着治具３４を使用して工具マウント１２に切削工具２を装着する第二の実施方法を図７を参照して説明する。最初に、スピンドル８の先端部に工具マウント１２を装着し、固定ボルト１３によりスピンドル８に固定する。次いで、工具マウント１２の装着面１４に切削工具２を挿入し、切削工具２の基台３０が工具マウント１２の環状受面１８に接触するまで切削工具２を工具マウント１２に摺動し装着する。工具マウント１２の装着面１４の直径Ｄ１と切削工具２の装着孔２８の直径Ｄ２との公差は５μm〜１５μm存在するため、切削工具２の重心は工具マウント１２の円筒状の装着面１４の中心より僅かに偏心して装着される。この状態で、マウントナット２２を工具マウント１２のネジ部２４に螺合し、切削工具２をマウントナット２２で緩嵌する（緩く仮締めする）。その後、固定ボルト１３を取り外す（図７（a））。

続いて、装着治具３４のネジロッド４０を工具マウント１２の挿入孔２８に挿入し、装着治具３４の雄ネジ部４２をスピンドル８の先端部の雌ネジ孔１０に螺合する。支持部材３６の先端４３が工具マウント１２の先端２５に接触するまで螺合し、支持部材３６の先端４３を工具マウント１２の先端面２５aに密接させる（図７（b））。

次いで、装着治具３４の超音波振動発振手段３８に通電し、第一の使用方法に記載のメカニズムにより工具マウント１２の装着面１４の軸心方向に垂直な方向に振動させる。第一の使用方法時より通電電流値を増加し、装着面１４の振幅を例えば５μm程度で振動させる（図５（c））。数秒間振動させると、装着面１４が軸心方向に垂直な方向に振動するのに伴い、偏心して装着されている切削工具２の装着孔２８と装着面１４のクリアランスは円周方向に渡って均一になる。かくして、工具マウント１２に対する切削工具２の偏心を可及的に低減することができる。

その後装着治具３４を取り外し、固定ボルト１３で工具マウント１２をスピンドル８の先端部に締結する。そして、マウントナット２２を所定のトルクで締結し、切削工具２は工具マウント１２に装着される。

上記記載の実施形態においては、装着治具３４を使用して工具マウント１２の装着面１４にその中心軸線に対して垂直な方向に超音波振動させながら、切削工具２を装着する方法を示したが、その他にも、周知構造の超音波援用スピンドルを使用しスピンドルに連結された超音波振動子により工具マウント１２の装着面１４にその中心軸線に対して垂直な方向に超音波振動させながら、切削工具２を装着するようにしてもよい。また、公差が比較的大きい場合には、同様に工具マウントの装着面に切削工具の基台を嵌合した後に、スピンドルに連結された超音波振動子によって工具マウントをその中心軸線に対して垂直な方向に超音波振動させ、かくして工具マウントに対する切削工具の偏心を可及的に低減させてもよい。

２ 切削具
８ スピンドル
１２ 工具マウント
１４ 装着面
３４ 装着治具
３６ 支持部材
３８ 超音波振動発振手段
ｆ１、ｆ２、ｆ３ 最小振動振幅点
Ｗ 振動波形

Claims (4)

1. 回転スピンドルに装着され且つ該スピンドルの軸線方向に延在する円筒形状の装着面と該装着面の片端から半径方向外方に延出する環状受面を有する工具マウントに、該装着面に嵌合される装着孔を有する基台と該基台に固定され該基台から半径方向外方に延出する環状ブレードとから構成された切削工具を装着するための装着方法にして、
   該工具マウントをその中心軸線に垂直な方向に超音波振動せしめながら該環状ブレードを該切削工具に装着することを特徴とする装着方法。
2. 回転スピンドルに装着され且つ該スピンドルの軸線方向に延在する円筒形状の装着面と該装着面の片端から半径方向外方に延出する環状受面を有する工具マウントに、該装着面に嵌合される装着孔を有する基台と該基台に固定され該基台から半径方向外方に延出する環状ブレードとから構成された切削工具を装着するための装着方法にして、
   該工具マウントに該切削工具を装着した後に、該工具マウントをその中心軸線に垂直な方向に超音波振動せしめることを特徴とする装着方法。
3. 回転スピンドルに装着され且つ該スピンドルの軸線方向に延在する円筒形状の装着面と該装着面の片端から半径方向外方に延出する環状受面を有する工具マウントに、該装着面に嵌合される装着孔を有する基台と該基台に固定され該基台から半径方向外方に延出する環状ブレードとから構成された切削工具を装着するための装着冶具にして、
   該切削工具の該装着孔を受け入れる円筒形状の外周面を有する支持部材と該支持部材に連結された超音波振動発振手段とを含み、該支持部材の先端を該工具マウントの先端に密接せしめて該超音波振動発振手段を作動せしめることによって該工具マウントをその中心軸線に垂直な方向に振動せしめる、ことを特徴とする装着冶具。
4. 該回転スピンドルにはその先端面に開口した雌ネジ孔が形成されており、該支持部材にはその先端面から延出し且つ該雌ネジ孔に螺合せしめられる雄ネジが形成されているネジロッドが固定されており、該雌ネジ孔に該ネジロッドの該雄ネジを螺合することによって、該回転スピンドルに装着された該工具マウントの先端に該支持部材の先端が密接される、請求項３記載の装着冶具。

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