JP5886680B2 - 研削方法及び研削装置 - Google Patents

Description

本発明は、難研削材料により形成される被加工物に対して研削加工を施す研削方法及び当該研削方法を実施することができる研削装置に関する。

板状ワークを研削する研削装置では、保持テーブルにおいて板状ワークを保持し、板状ワークに研削砥石を接触させて板状ワークを所定の厚みに研削している。板状ワークの研削中は、保持テーブルが回転するとともに、研削砥石を備えた研削手段が回転しながら所定の速度で保持テーブルに向かう方向に研削送りされる。

被加工物である板状ワークが難研削材料（例えば、サファイア，シリコンカーバイトなど）により形成されている場合は、研削手段を所定の研削送り速度で研削送りして板状ワークを研削しても、板状ワークが希望どおりの厚みに減じられず、研削砥石が板状ワークを押し付けている状態となり、研削砥石を回転させるモータに過剰な回転負荷がかかることになる。このような問題に対応し、下記の特許文献１では、被加工物の加工時に生じる圧力をモータにかかる回転負荷として検知し、加工送り速度を制御する研磨装置が提案されている。また、下記の特許文献２では、スピンドルのラジアル方向あるいはスラスト方向におけるエアーの圧力差を検出して加工送り速度を制御する加工装置が提案されている。

特開２００１−１３８２１９号公報 特開２００８−４９４４５号公報

しかしながら、上記のように研削砥石にかかる圧力をモータにかかる回転負荷として検知する制御では、板状ワークに研削砥石を押し付け、板状ワークに荷重がかかった後に、研削砥石を回転させるモータの回転負荷として検知するため、荷重がかかってから回転負荷を検知するまでにタイムラグがある。そのため、荷重がかかった後も研削手段をさらに研削送りして板状ワークに研削砥石を押し付けてしまい、研削砥石に目つぶれが生じてしまう。その結果、研削砥石の自生発刃作用が失われて板状ワークを研削できなくなることがある。

本発明は、上記の事情にかんがみてなされたものであり、研削砥石によって難研削材料により形成される板状ワークを研削する際に、当該研削砥石が自生発刃作用を失わないよう研削送りを制御することに発明の解決すべき課題を有している。

第１の発明は、板状ワークを保持する保持テーブルと、保持テーブルに保持された板状ワークに研削砥石を接触させて板状ワークを研削する研削手段と、保持テーブルに接近する方向及び保持テーブルから離間する方向に研削手段を研削送りする研削送り手段とを備えた研削装置を用いる研削方法に関し、保持テーブルまたは研削手段には、研削手段を研削送り手段によって研削送りする際に板状ワークにかかる研削荷重を検出する荷重検出手段が配設され、研削送り手段が研削手段を下降させ研削砥石を保持テーブルに保持された板状ワークに接触させ、さらに研削手段を所定の研削送り速度で下降させることによって荷重検出手段が検出する荷重値が所定のしきい値に達したときに、研削送り手段によって研削手段を所定の速度で上昇させる第１の研削送り工程と、第１の研削送り工程において研削手段を上昇させることにより荷重検出手段が検出する荷重値が無負荷となったときには、研削送り手段によって該研削手段を所定の研削送り速度で下降させる第２の研削送り工程とを備え、第１の研削送り工程と該第２の研削送り工程とを交互に繰り返し行う。

第２の発明は、板状ワークを保持する保持テーブルと、保持テーブルに保持された板状ワークを研削する研削手段と、保持テーブルに接近する方向及び保持テーブルから離間する方向に研削手段を研削送りする研削送り手段とを備える研削装置に関し、保持テーブルまたは研削手段に配設され、研削手段を研削送り手段によって研削送りする際に板状ワークにかかる研削荷重を検出する荷重検出手段と、荷重検出手段が検出する荷重値が所定のしきい値に達したときに、研削送り手段により研削手段を所定の速度で上昇させ、研削手段の上昇によって荷重検出手段が検出する荷重値が無負荷となったときに、研削送り手段により研削手段を所定の速度で下降させ、研削送り手段による研削手段の上昇と下降とを交互に繰り返す制御を行う制御部とを備える。

第１の発明は、保持テーブルと、板状ワークを研削する研削手段と、研削手段を研削送りする研削送り手段とを備えた研削装置を用いる研削方法であって、保持テーブルまたは研削手段に、研削手段に装着される研削砥石により板状ワークを研削する際に板状ワークにかかる研削荷重を検出する荷重検出手段が配設されており、研削手段が所定の研削送り速度で下降することによって荷重検出手段が検出する荷重値が所定のしきい値に達したときに研削送り手段によって研削手段を所定の速度で上昇させる第１の研削送り工程と、該第１の研削送り工程において該研削手段を上昇させることにより該荷重検出手段が検出する荷重値が無負荷であるときに該研削送り手段によって該研削手段を所定の研削送り速度で下降させる第２の研削送り工程とを備えているため、板状ワークにかかる研削荷重に応じて研削送り手段による研削手段の研削送りを制御することができ、荷重がかかってから研削手段が上昇するまでにタイムラグがないため、研削砥石に目つぶれが発生して研削砥石の自生発刃作用が失われることがない。また、第１の研削送り工程と第２の研削送り工程とを交互に繰り返して板状ワークを研削するため、研削砥石の自生発刃作用を確保しながら研削を行うことができ、被加工物が難研削材料により形成される板状ワークであったとしても、継続して研削を行うことができる。

第２の発明は、研削手段を研削送り手段によって研削送りする際に板状ワークにかかる研削荷重を検出する荷重検出手段と、荷重検出手段が検出する荷重値が所定のしきい値に達したときに、研削送り手段により研削手段を所定の速度で上昇させ、研削手段の上昇によって荷重検出手段が検出する荷重値が無負荷となったときに、研削送り手段により研削手段を所定の速度で下降させ、研削送り手段による研削手段の上昇と下降とを交互に繰り返す制御を行う制御部とを備えるため、荷重検出手段が検出する荷重値が所定のしきい値に達したときには研削手段を所定の研削送り速度で上昇させ、この上昇により荷重検出手段が検出する荷重値が無負荷となったときには研削手段を下降させることができ、かかる制御を繰り返し行うことができるため、難研削材料により形成される板状ワークについても、研削砥石の自生発刃作用を確保しながら継続して研削を行うことができる。

研削装置の構成を示す断面図である。 研削方法の手順を示すフローチャートである。 研削送りによる研削手段の高さ位置と研削荷重値との関係を示すグラフである。

図１に示す研削装置１は、各種材料により形成される板状ワークＷに研削を施す研削装置である。研削装置１は、Ｙ軸方向にのびる基台１００と、基台１００の端部からＺ軸方向にのびる立設基台１０１とを備えている。研削装置１には、板状ワークＷを保持する保持テーブル２と、保持テーブル２に保持された板状ワークＷを研削する研削手段１０と、該保持テーブル２に接近する方向及び該保持テーブル２から離間する方向に研削手段１０を研削送りする研削送り手段２０とを備えている。

基台１００の上面には、回転可能なターンテーブル３が配設されている。ターンテーブル３の中央部分には、Ｚ軸方向の軸心を有する回転軸４が配設されている。保持テーブル２は、テーブルベース２ａと、テーブルベース２ａの上面側に配設された保持部２ｂとを備え、保持部２ｂの表面は板状ワークＷを吸引保持する保持面２ｃとなっている。保持テーブル２は、支持部２ｄの一端をターンテーブル３に連結し、他端をテーブルベース２ａの下端に連結することによって、ターンテーブル３上において支持されている。そして、ターンテーブル３が回転すると、保持テーブル２を公転させることができる。

テーブルベース２ａの中央部下端には、吸引源９に連通する吸引路が内部に形成された回転軸８が連結されている。回転軸８にはベルト３０が巻回され、このベルト３０は、モータ３１の回転軸にも巻回されており、モータ３１による駆動により、チャックテーブル２を、例えば矢印Ａ方向に回転させることができる。

図１に示すように、立設基台１０１の側方において、研削送り手段２０を介して研削手段１０が配設されている。研削手段１０は、Ｚ軸方向の軸心Ｃを有するスピンドル１１と、スピンドル１１を回転可能に支持するスピンドルハウジング１２と、スピンドル１１の下端にマウンタ１３を介して装着された研削ホイール１４と、研削ホイール１４の下部に環状に固着された複数の研削砥石１５と、スピンドルハウジング１２の内部においてスピンドル１１に連結された図示していないモータとを備えている。そして、研削手段１０においては、モータによって研削ホイール１４を回転させることができる。

研削手段１０の側部には、研削手段１０を昇降移動させる研削送り手段２０が配設されている。研削送り手段２０は、Ｚ軸方向にのびる回動可能なボールネジ２１と、ボールネジ２１の上端に接続されたモータ２２と、ボールネジ２１を回動可能に支持する軸支部２３と、スピンドルハウジング１２の側部に取り付けられ研削手段１０を昇降させる移動基台２４とを備えている。研削送り手段２０は、モータ２２の駆動によりボールネジ２１を回動させることにより移動基台２４をＺ軸方向に移動させ、研削手段１０もＺ軸方向に移動させることができる。

図１に示すように、支持部２ｄの上端側には、保持テーブル２に保持された板状ワークＷを研削する際に、板状ワークＷにかかる研削荷重を検出する荷重検出手段５が取り付けられている。この荷重検出手段５は、テーブルベース２ｂの下端に接触しており、保持テーブル２が回転可能となるように接している。荷重検出手段５は、圧電方式の荷重測定に用いられる圧電素子を備えており、当該圧電素子は、研削砥石１５により板状ワークＷにかけられる圧力を受けると、電圧を発生することができる。荷重検出手段５は、この電圧を板状ワークＷにかかる荷重値として検出することができる。例えば、保持テーブル２の下端の三箇所にそれぞれ荷重検出手段５を取り付けることができる。また、荷重検出手段５は、研削手段１０の内部、例えばスピンドル１１を支持するスピンドルハウジング１２とスピンドル１１との鉛直方向の間に配設する構成でもよい。

荷重検出手段５には、荷重検出手段５によって検出した荷重値が研削装置１にあらかじめ設定されたしきい値に達しているか否かを判断する判断部６が接続されている。さらに、判断部６の判断結果に基づき、研削送り手段２０による研削手段１０の昇降動作を交互に繰り返すように制御する制御部７が、判断部６と研削送り手段２０とに接続されている。

以下においては、上記の如く構成される研削装置１を用い、図２に示すフローチャートに沿って、板状ワークＷを研削する手順について説明する。研削対象となる板状ワークＷは、例えば、サファイア，シリコンカーバイトなどの難研削材料により形成されている。

図１に示す研削装置１においては、研削手段１０により板状ワークＷにかけられ荷重検出手段５によって検出される研削荷重のしきい値を、例えば１００Ｎとして予め判断部６に設定しておく。そして、板状ワークＷにかかる研削砥石１５の荷重値がしきい値に達したときには、研削送り手段２０が研削送り速度０．５ｍｍ／ｓで研削手段１０を上昇させるように制御部７に予め設定しておく。また、板状ワークＷにかかる研削砥石１５の荷重値が無負荷（０Ｎ）となったときには、研削送り手段２０が研削送り速度０．５ｍｍ／ｓで研削手段１０を下降させるように制御部７に予め設定しておく。研削送り手段２０の制御は、制御部７によって行われる。

図１に示すように、研削装置１では、板状ワークＷが保持テーブル２に吸引保持されるともに、保持テーブル２が例えば、矢印Ａ方向に回転する。また、これと同時にターンテーブル３が回転し、保持テーブル２を研削手段１０の下方に位置づける。

次に、研削送り手段２０が研削手段１０を保持テーブル２に保持された板状ワークＷに向けて下降させる。このとき、制御部７は、例えば、研削送り速度１０ｍｍ／ｓで研削手段１０が下降するように研削送り手段２０を制御する。そして、保持テーブル２に保持された板状ワークＷに研削砥石１５が接触した時点で板状ワークＷの研削を開始する。図１に示した板状ワークＷに研削砥石１５が接触すると、荷重検出手段５が板状ワークＷにかかる研削荷重の荷重値の検出を行う。

研削作業が開始されると、図１に示した判断部６は、荷重検出手段５の値を読み出し、板状ワークＷにかかる研削荷重の荷重値が無負荷であるかどうかを判断する（ステップS１）。

そして、判断部６が荷重値が無負荷でないと判断すると、制御部７による制御の下で、研削送り手段２０が研削手段１０を所定速度で上昇させ、板状ワークＷと研削砥石１５とを非接触状態とする（ステップＳ４）。

一方、荷重値が無負荷であると判断すると、研削送り手段２０が研削手段１０を所定速度で下降させ、板状ワークＷに研削砥石１５を接触させて研削を行う（ステップＳ２、第２の研削送り工程）。そして、研削を行いながら、判断部６が荷重検出手段５の荷重値を読み続け、その荷重値が所定のしきい値に達するか否かを判断する（ステップＳ３）。

読み出した荷重値が所定のしきい値に達していないときは、研削送り手段２０が研削手段１０をさらに下降させ、板状ワークＷの研削を続行する（ステップＳ２）。

一方、読み出した荷重値が所定のしきい値に達したときは、研削送り手段２０が研削手段１０を所定の速度で上昇させる（ステップＳ４、第１の研削送り工程）。そして、判断部６が、第１の研削送り工程における研削手段１０の上昇と第２の研削送り工程における研削手段１０の下降とを繰り返すための時間があるかないかを判断する（ステップＳ５）。

判断部６により、繰り返すための時間がないと判断されると、制御部７は、研削送り手段２０に研削手段１０を上昇させ研削を終了する。

一方、判断部６が、繰り返すための時間があると判断すると、ステップＳ１に戻り、板状ワークＷにかかる研削荷重の荷重値が無負荷であれば研削手段１０を下降させ（ステップＳ２、第２の研削送り工程）、荷重値が無負荷でなければ研削手段１０を上昇させる（ステップＳ４、第１の研削送り工程）。このようにして、制御部７による制御の下で、研削荷重の値に基づき、第１の研削送り工程と第２の研削送り工程とを交互に繰り返す。

このような手順にて板状ワークＷを研削すると、研削手段１０の高さ位置と研削荷重値とは、例えば図３に示す関係の下で推移する。

図３に沿って説明すると、制御開始時ｔ０から研削送り手段２０が研削手段１０を下降させていき、研削砥石１５が板状ワークＷに接触して研削開始時ｔ１において研削が開始されると、さらに研削手段１０が下降していく（フェーズＺ０）。研削を行いながら研削手段１０が下降するフェーズＺ０においては、研削荷重の値は徐々に上昇していく（フェーズＬ０）。

こうして研削荷重の値が上昇していくことにより、切替え時ｔ２において研削荷重の値が所定のしきい値に達する。そうすると、研削手段１０が上昇に転じ(フェーズＺ１、第１の研削送り工程)、研削荷重の値が下がっていく（フェーズＬ１）。

フェーズＺ１において研削手段１０が上昇していき、研削砥石１５が板状ワークＷに接触しなくなると、研削荷重は、切替え時ｔ３において０（無負荷）になる。そうすると、研削手段１０が下降に転じ（フェーズＺ２、第２の研削送り工程）研削荷重の値は上昇する（フェーズＬ２）。

こうして研削荷重が上昇して切替え時ｔ２’においてしきい値に達すると、研削手段１０が上昇に転じ(フェーズＺ１’、第１の研削送り工程)、研削荷重の値が下がっていく（フェーズＬ１’）。

フェーズＺ１’において研削手段１０が上昇していき、研削砥石１５が板状ワークＷに接触しなくなると、研削荷重は、切替え時ｔ３’おいて無負荷になる。そうすると、研削手段１０が下降に転じ（フェーズＺ２’、第２の研削送り工程）研削荷重の値は上昇する（フェーズＬ２’）。

研削荷重の値が上昇し、タイムアウト時ｔ４においてしきい値に達すると、研削手段１０が上昇に転じる。そして、第１の研削送り工程と第２の研削送り工程との繰り返し時間がゼロになり、さらに研削手段１０が上昇し、研削を終了する。

このように、研削装置１では、荷重検出手段５で板状ワークＷにかかる研削荷重を検出しながら、制御部７が研削送り手段２０の研削送りを制御することができる。そして、第１の研削送り工程において研削荷重の値が所定のしきい値に達したと判断部６が判断したときには所定の研削送り速度で研削手段１０を上昇させて研削を中断し、第２の研削送り工程ではこの上昇により研削荷重の荷重値が無負荷になったと判断部６が判断したときには所定の研削送り速度で研削手段１０を下降させて研削を再開することができ、このようにして研削の中断と再開とを交互に繰り返し行いながら板状ワークＷを研削することができる。したがって、研削砥石１５を回転させるモータに過剰な回転負荷がかかって研削砥石１５が自生発刃作用を失うのを防止することができ、被加工物が難研削材料により形成される板状ワークであったとしても継続して研削を行うことができる。

１：研削装置 １００：基台 １０１：立設基台
２：保持テーブル
２ａ：テーブルベース ２ｂ：保持部 ２ｃ：保持面 ２ｄ：支持部
３：ターンテーブル
４：回転軸
５：荷重検出手段
６：判断部
７：制御部
８：回転軸
９：吸引源
１０：研削手段 １１：スピンドル １２：スピンドルハウジング １３：マウンタ
１４：研削ホイール １５：研削砥石
２０：研削送り手段 ２１：ボールネジ ２２：モータ ２３：軸支部 ２４：移動基台
３０：ベルト ３１：モータ

Claims (2)

1. 板状ワークを保持する保持テーブルと、該保持テーブルに保持された板状ワークに研削砥石を接触させて該板状ワークを研削する研削手段と、該保持テーブルに接近する方向及び該保持テーブルから離間する方向に該研削手段を研削送りする研削送り手段と、を備えた研削装置を用いる研削方法であって、
   該保持テーブルまたは該研削手段には、該研削手段を該研削送り手段によって研削送りする際に該板状ワークにかかる研削荷重を検出する荷重検出手段が配設され、
   該研削送り手段が該研削手段を下降させ該研削砥石を該保持テーブルに保持された板状ワークに接触させ、さらに該研削手段を所定の研削送り速度で下降させることによって該荷重検出手段が検出する荷重値が所定のしきい値に達したときに、該研削送り手段によって該研削手段を所定の速度で上昇させる第１の研削送り工程と、
   該第１の研削送り工程において該研削手段を上昇させることにより該荷重検出手段が検出する荷重値が無負荷となったときには、該研削送り手段によって該研削手段を所定の研削送り速度で下降させる第２の研削送り工程と、を備え、
   該第１の研削送り工程と該第２の研削送り工程とを交互に繰り返し行う研削方法。
2. 板状ワークを保持する保持テーブルと、該保持テーブルに保持された板状ワークを研削する研削手段と、該保持テーブルに接近する方向及び該保持テーブルから離間する方向に該研削手段を研削送りする研削送り手段と、を備える研削装置であって、
   該保持テーブルまたは該研削手段に配設され、該研削手段を該研削送り手段によって研削送りする際に該板状ワークにかかる研削荷重を検出する荷重検出手段と、
   該荷重検出手段が検出する荷重値が所定のしきい値に達したときに、該研削送り手段により該研削手段を所定の速度で上昇させ、該研削手段の上昇によって該荷重検出手段が検出する荷重値が無負荷となったときに、該研削送り手段により該研削手段を所定の速度で下降させ、該研削送り手段による該研削手段の上昇と下降とを交互に繰り返す制御を行う制御部と、
   を備えた研削装置。

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