JP5932319B2 - スピンドルユニット - Google Patents

Description

本発明は、高速回転に対応したスピンドルユニットに関し、特に流体によって回転軸を支持するスピンドルユニットに関する。

半導体ウェーハを加工する加工装置では、エアベアリングによって回転軸を支持するエアスピンドルを採用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のスピンドルユニットでは、筒状のハウジング内に回転軸が収容され、ハウジングと回転軸との隙間に圧縮エアが供給される。この圧縮エアの供給によって、ハウジングの内周面と回転軸の外周面との間にエア層が形成され、ハウジングに対して回転軸が浮動状態で回転可能に支持される。

このスピンドルユニットには、回転軸の回転を停止するシャフトロック機構が設けられている。シャフトロック機構は、回転軸の外周面に係合穴が形成され、係合穴に対応してハウジングにロックピンが設けられている。ロックピンは、エアシリンダによってハウジングの内周面から押し出し可能に構成されている。シャフトロック機構は、ハウジングの内周面から押し出されたロックピンが係合穴に差し込まれることで回転軸の回転を停止する。

特開２００９−２７９６６２号公報

特許文献１のスピンドルユニットでは、回転軸に係合穴が形成されているため、回転軸に対して遠心力がアンバランスに作用する。このため、近年のスピンドル回転の高速化に伴い、低速回転域では生じなかったアンバランス（偏芯）の問題が増大する。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高速回転時に回転軸のアンバランスを低減できるスピンドルユニットを提供することを目的とする。

本発明のスピンドルユニットは、スピンドルハウジングと、前記スピンドルハウジング中に配設されたベアリングと、前記ベアリングの中心に形成された回転軸挿入穴中に回転可能に挿入された回転軸と、から構成されたスピンドルユニットであって、前記スピンドルハウジングには前記回転軸の回転を停止させるための少なくとも１つの回転停止手段を備え、前記回転停止手段は、前記スピンドルハウジングと前記回転軸の間に前記回転軸を囲繞して配設された筒状部材と、前記筒状部材に水圧を供給する水圧供給部と、を備え、前記筒状部材は、前記回転軸の外径よりも大きな内径で形成された回転軸挿入穴と、前記回転軸挿入穴を画成する内壁の全周で且つ水圧により変形する部材により肉薄に形成された変形部と、からなり、前記変形部の外径方向外側は水で満たされており、前記水圧供給部から供給された水圧により前記変形部が外径方向内側に変形し前記回転軸挿入穴の内径を縮小し前記回転軸の外周に径方向から当接して前記回転軸の回転を停止させる、ことを特徴とする。

この構成によれば、水圧による変形部の変形によって回転軸挿入穴の内径が縮小されることで、変形部の内周面が回転軸の外周面に押し付けられる。この変形部の押し付けによって回転軸に対する制動力が生み出され、回転軸の回転が停止される。このため、回転軸に係合穴等を設ける必要がなく、回転軸に対して均等な遠心力を作用させることができる。よって、高速回転時の回転軸のアンバランスを低減でき、回転軸の回転を安定させることができる。

本発明によれば、回転軸に係合穴等を設けることなく回転軸を停止可能にすることで、高速回転時に回転軸のアンバランスを低減できる。

本実施の形態に係る切削装置の斜視図である。 本実施の形態に係るスピンドルユニットの分解図である。 本実施の形態に係るスピンドルユニットの断面図である。 本実施の形態に係るスピンドルユニットによるシャフトロック機構の説明図である。

以下、添付図面を参照して、本実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る切削装置の斜視図である。なお、以下においては、スピンドルユニットを切削装置に適用する構成について説明するが、この構成に限定されるものではない。本実施の形態に係るスピンドルユニットは、研削装置等のようにスピンドルシャフトを高速回転させる装置に適用可能である。

図１に示すように、切削装置１は、切削ブレード３１を有するブレードユニット３と加工対象のワーク（不図示）を保持したチャックテーブル４とを相対移動させて、ワークを切削するように構成されている。ワークは、半導体ウェーハや無機材料基板等の薄板状に形成されており、表面に切削位置を示すストリートが形成されている。切削装置１では、高速回転された切削ブレード３１によりストリートに沿ってワークが切削されることで、ワークが個々のチップに分割される。切削装置１の基台２上にはチャックテーブル４をＸ軸方向に移動するチャックテーブル移動機構５が設けられている。

チャックテーブル移動機構５は、基台２上面に配置されたＸ軸方向に平行な一対のガイドレール５１と、一対のガイドレール５１にスライド可能に設置されたモータ駆動のＸ軸テーブル５２とを有している。Ｘ軸テーブル５２の上部には、チャックテーブル４が設けられている。また、Ｘ軸テーブル５２の背面側には、図示しないナット部が形成され、このナット部にボールネジ５３が螺合されている。ボールネジ５３の一端部には、駆動モータ５４が連結されている。駆動モータ５４によりボールネジ５３が回転駆動されることで、チャックテーブル４がガイドレール５１に沿ってＸ軸方向に移動される。

チャックテーブル４は、Ｘ軸テーブル５２の上面に固定されたＺ軸回りに回転可能なθテーブル４１と、θテーブル４１の上部に設けられ、ワークを吸着保持する保持部４２とを有している。保持部４２は、所定の厚みを有する円盤状であり、上面中央部分にはポーラスセラミック材により吸着面４３が形成されている。吸着面４３は、負圧によりワークを吸着し、θテーブル４１の内部の配管を介して吸引源に接続されている。

切削装置１の基台２上には、ブレードユニット３をチャックテーブル４の上方でＹ軸方向及びＺ軸方向に移動するブレードユニット移動機構６が設けられている。ブレードユニット移動機構６は、基台２上面に配置されたＹ軸方向に平行な一対のガイドレール６１と、一対のガイドレール６１にスライド可能に設置されたモード駆動のＹ軸テーブル６２とを有している。Ｙ軸テーブル６２は上面視矩形状に形成されており、そのＸ軸方向における一端部には側壁部６３が立設している。

また、ブレードユニット移動機構６は、側壁部６３の壁面に設置されたＺ軸方向に平行な一対のガイドレール６４と、一対のガイドレール６４にスライド可能に設置されたＺ軸テーブル６５とを有している。Ｚ軸テーブル６５には、チャックテーブル４に向ってＹ軸方向に延在するスピンドルユニット７が片持で支持されている。また、Ｙ軸テーブル６２、Ｚ軸テーブル６５の背面側には、それぞれ図示しないナット部が形成され、これらナット部にボールネジ６６、６７が螺合されている。ボールネジ６６、６７の一端部には、それぞれ駆動モータ６８、６９が連結されている。駆動モータ６８、６９によりボールネジが回転駆動され、ブレードユニット３がガイドレール６１、６４に沿ってＹ軸方向及びＺ軸方向に移動される。

ブレードユニット３は、Ｙ軸回りに回転するスピンドルの先端に設けられた円盤状の切削ブレード３１と、切削部分に切削水を噴射する図示しないノズルとを有している。ブレードユニット３は、切削ブレード３１を高速回転させ、複数のノズルから切削部分に切削水を噴射しつつワークを切削加工する。また、ブレードユニット３には、アライメント用の撮像機構８が設けられている。撮像機構８による撮像画像に含まれるチップパターンと予め登録された基準パターンとのマッチングにより、アライメント処理が行われる。

このように構成された切削装置１においては、Ｙ軸テーブル６２の移動によって切削ブレード３１がワークのストリートに位置合わせされる。次に、Ｚ軸テーブル６５の移動によって回転された切削ブレード３１のワークに対する切り込み深さが調整される。そして、切削ブレード３１に対してＸ軸テーブル５２が相対移動されることにより、チャックテーブル４に保持されたワークがストリートに沿って切削される。

図２及び図３を参照して、スピンドルユニットについて説明する。図２は、本実施の形態に係るスピンドルユニットの分解図である。図３は、本実施の形態に係るスピンドルユニットの断面図である。なお、以下の説明ではスピンドルユニットとしてエアスピンドルを例示して説明するが、この構成に限定されない。例えば、スピンドルシャフトを機械的に支持するメカスピンドルでもよい。

図２及び図３に示すように、スピンドルユニット７は、いわゆるエアスピンドルであり、圧縮エアによるエア層によってスピンドルハウジング７１に対してスピンドルシャフト（回転軸）７２を浮動状態で支持している。スピンドルハウジング７１は、ステンレス等によって中空円筒状に形成されており、内側に一対のスラストベアリング（ベアリング）７３、一対のラジアルベアリング（ベアリング）７４、筒状部材７５等の中空の各種部材が圧入されている。スピンドルシャフト７２は、これら各種部材の内側に隙間を空けた状態で挿入される。スピンドルハウジング７１には、この隙間に供給される圧縮エアの供給路７１１、７１２が形成されている。

スピンドルシャフト７２は、ステンレス等によってスピンドルハウジング７１に支持される中央部分７２１が最も大径に形成されている。スピンドルシャフト７２の中央部分７２１には、外周面７２２から径方向に突出したスラストプレート７２３が形成されている。スピンドルシャフト７２の一端部分７２４は、最も小径に形成されており、スピンドルハウジング７１の一端側から突出して切削ブレード３１が取り付けられる。スピンドルシャフト７２の他端部分７２５は、中央部分７２１よりも僅かに小径に形成されており、スピンドルハウジング７１の他端側から突出して電動モータ等の駆動源７６が連結される。

一対のスラストベアリング７３は、ステンレス等によって挿通穴を設けたリング状に形成されており、スピンドルシャフト７２のスラストプレート７２３を挟むようにスピンドルハウジング７１に圧入されている。このようなスラストベアリング７３の配置により、スピンドルハウジング７１には、スラストプレート７２３に対応した環状溝７２６が形成される。スラストプレート７２３と環状溝７２６との間には圧縮エアが介在する僅かな隙間が形成される。また、一対のスラストベアリング７３のスラストプレート７２３に対する対向面７１３には、周方向に沿って複数の嵌合穴が形成されている。各嵌合穴には、所定の開口径のオリフィスピン７９が嵌合されている。

また、各オリフィスピン７９の開口は、各スラストベアリング７３に形成された環状供給路７３１を介して、スピンドルハウジング７１の供給路７１１に連通されている。各オリフィスピン７９には、スピンドルハウジング７１の供給路７１１を介してコンプレッサー等の圧縮エア供給源７７から圧縮エアが供給される。そして、各オリフィスピン７９からスラストプレート７２３と各スラストベアリング７３との隙間に圧縮エアが噴射されることで、スラストプレート７２３の周囲にエア層が形成され、スピンドルシャフト７２のスラスト方向が支持される。

一対のラジアルベアリング７４は、ステンレス等によって挿通穴を設けた中空円筒状に形成されており、筒状部材７５を間に挟み込むようにして軸方向に離間してスピンドルハウジング７１に圧入されている。各ラジアルベアリング７４とスピンドルシャフト７２との間には圧縮エアが介在する僅かな隙間が形成される。また、各ラジアルベアリング７４には、周方向に沿って複数の嵌合穴が形成されている。各嵌合穴には、スラストベアリング７３と同様に、所定の開口径のオリフィスピン７９が嵌合されている。

また、各オリフィスピン７９の開口は、スピンドルハウジング７１に形成された環状供給路７１４を介して供給路７１２に連通されている。各オリフィスピン７９には、スピンドルハウジング７１の供給路７１２を介して圧縮エア供給源７７から圧縮エアが供給される。そして、各オリフィスピン７９からスピンドルシャフト７２と各ラジアルベアリング７４との隙間に圧縮エアが噴射されることで、スピンドルシャフト７２の周囲にエア層が形成され、スピンドルシャフト７２のラジアル方向が支持される。

筒状部材７５は、合成樹脂製等により、中空円筒状の薄肉部（変形部）７５１の両端に一対のフランジ部７５２を設けて形成されている。筒状部材７５には、スピンドルシャフト７２の外径よりも大きな内径のシャフト挿入穴（回転軸挿入穴）７５３が形成されている。シャフト挿入穴７５３にスピンドルシャフト７２が挿入されることで、筒状部材７５とスピンドルシャフト７２との間に隙間が形成される。この隙間には、筒状部材７５を挟み込むように配置された一対のラジアルベアリング７４の各オリフィスピン７９から圧縮エアが供給されてエア層が形成される。

一対のフランジ部７５２は、ラジアルベアリング７４の外径と略同一の外径を有し、スピンドルハウジング７１に圧入されている。この場合、各フランジ部７５２の外周面７５４にはＯリング７５６が装着されており、各フランジ部７５２の外周面７５４とスピンドルハウジング７１の内周面７１５とが液密に当接する。このような構成により、一対のフランジ部７５２と薄肉部７５１とスピンドルハウジング７１とによって液密な円筒空間Ｓが画成される。円筒空間Ｓは、水で満たされており、スピンドルハウジング７１内の流路７１６を介してポンプ等の水圧供給部７８から水圧が加えられる。

薄肉部７５１は、円筒空間Ｓからの水圧によりシャフト挿入穴７５３を狭めるように変形する。薄肉部７５１の内周面７５５は、水圧によってシャフト挿入穴７５３の内径を縮小することで、スピンドルシャフト７２の外周面７２２に押し付けられる。薄肉部７５１の内周面７５５とスピンドルシャフト７２の外周面７２２との接触により、スピンドルシャフト７２の回転に対する制動力が生じてスピンドルシャフト７２の回転が停止される。なお、薄肉部７５１の厚みは、特に限定されるものではなく、水圧によって変形可能な厚みであればよい。

このように、本実施の形態に係るスピンドルユニット７では、水圧供給部７８からの水圧によって筒状部材７５を変形させることでシャフトロック機構（回転停止手段）を構成している。ところで、スピンドルシャフト７２に作用する遠心力は、回転数の増加に伴って大きくなるので、高速回転時にはスピンドルシャフト７２のアンバランス（偏芯）の要因となっている。したがって、従来のロックピンを用いたシャフトロック機構において、特に低速回転時には問題にならなかったシャフトロック用の穴も、高速回転時にはスピンドルシャフト７２に大きな影響を与えている。

この点、本実施の形態のシャフトロック機構では、筒状部材７５の当接によってシャフトロックするため、スピンドルシャフト７２にシャフトロック用の穴を設ける必要がない。よって、スピンドルシャフト７２の高速回転時のアンバランスが抑制される。また、本実施の形態のシャフトロック機構では、圧力媒体として水圧によって筒状部材７５を変形させている。よって、仮にスピンドルユニット７が漏水した場合であっても、ワークに悪影響を与えることがない。

図４を参照して、スピンドルユニットによるシャフトロック構成について説明する。図４は、本実施の形態に係るスピンドルユニットによるシャフトロック機構の説明図である。なお、図４Ａは、シャフトロック機構のアンロック状態を示し、図４Ｂは、図４ＡのＡ−Ａ線に沿う断面図を示す。また、図４Ｃは、シャフトロック機構のロック状態を示し、図４Ｄは、図４ＣのＢ−Ｂ線に沿う断面図を示す。

図４Ａ及び図４Ｂに示すシャフトロック機構のアンロック時には、先ず一対のスラストベアリング７３及び一対のラジアルベアリング７４の各オリフィスピン７９から圧縮エアが噴射される。圧縮エアの供給により、ベアリング７３、７４とスピンドルシャフト７２との間にエア層が形成され、スピンドルシャフト７２がスラスト方向及びラジアル方向に支持される。この状態で、駆動源７６の駆動されることで、スピンドルシャフト７２がスピンドルハウジング７１に対して浮動状態で回転される。

また、筒状部材７５の薄肉部７５１の径方向外側は、上記したように円筒空間Ｓが形成されており、水で満たされている。シャフトロック機構のアンロック状態では、薄肉部７５１が変形しない程度に円筒空間Ｓの水圧が抑えられている。したがって、筒状部材７５のシャフト挿入穴７５３の内周面７５５とスピンドルシャフト７２の外周面７２２とが離間され、薄肉部７５１とスピンドルシャフト７２との間にエア層が介在される。この場合、スピンドルシャフト７２の外周面７２２が全周に亘って一様な表面形状を有するため、スピンドルシャフト７２の高速回転時のアンバランスが解消されている。

図４Ｃ及び図４Ｄに示すシャフトロック機構のロック時には、水圧供給部７８から円筒空間Ｓを介して筒状部材７５の薄肉部７５１に水圧が加えられる。この場合、水圧供給部７８では、筒状部材７５の内周面７５５とスピンドルシャフト７２の外周面７２２との間のエア圧に抗して、薄肉部７５１を変形可能な水圧に調整される。薄肉部７５１は、円筒空間Ｓからの径方向内向きの水圧によって、一対のラジアルベアリング７４の間でエア層を遮断するように収縮変形（外形方向内側に変形）する。この薄肉部７５１の収縮変形によって、薄肉部７５１の内周面７５５がスピンドルシャフト７２の外周面７２２に全周に亘って当接し、スピンドルシャフト７２に制動力が作用する。

そして、スピンドルシャフト７２の回転は、薄肉部７５１の変形による制動力によって停止される。なお、本実施の形態では、筒状部材７５の薄肉部７５１に対して一度に強い水圧を加えてスピンドルシャフト７２を停止させる構成としたが、この構成に限定されない。

以上のように、本実施の形態に係るスピンドルユニット７によれば、水圧による薄肉部７５１の変形によってシャフト挿入穴７５３の内径が縮小されることで、薄肉部７５１の内周面７５５がスピンドルシャフト７２の外周面７２２に押し付けられる。この薄肉部７５１の押し付けによってスピンドルシャフト７２に対する制動力が生み出され、スピンドルシャフト７２の回転が停止される。このため、スピンドルシャフト７２に係合穴等を設ける必要がなく、スピンドルシャフト７２の回転軸周りの表面形状を一様に形成できる。よって、スピンドルシャフト７２に対して略均等な遠心力を作用させることができ、高速回転時のスピンドルシャフト７２のアンバランスを低減できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、本実施の形態に係るスピンドルユニット７では、軸方向に離間した一対のラジアルベアリング７４の間に筒状部材７５を配置する構成としたが、ラジアルベアリング７４の数や筒状部材７５の配置位置は限定されない。例えば、単一のラジアルベアリング７４に隣接して筒状部材７５を配置してもよい。また、ラジアルベアリング７４は、スピンドルハウジング７１に一体形成されてもよい。

また、本実施の形態に係るスピンドルユニット７では、筒状部材７５が合成樹脂によって成形される構成としたが、この構成に限定されない。筒状部材７５は、水圧によって内径を縮小可能な材質で成形されていればよい。この場合、筒状部材７５は、スピンドルシャフト７２との接触によって、スピンドルシャフト７２を傷つけない材質であることが好ましい。

また、本実施の形態に係るスピンドルユニット７では、シャフトロック機構のロック時に、筒状部材７５の薄肉部７５１が全周に亘ってスピンドルシャフト７２に当接する構成としたが、この構成に限定されない。筒状部材７５の薄肉部７５１は、スピンドルシャフト７２に当接して制動可能であればよく、例えば、周方向において部分的にスピンドルシャフト７２に当接する構成でもよい。

以上説明したように、本発明は、高速回転時に回転軸のアンバランスを低減できるという効果を有し、特に、流体によって回転軸を支持するスピンドルユニットに有用である。

１ 切削装置
３ ブレードユニット
４ チャックテーブル
７ スピンドルユニット
７１ スピンドルハウジング
７２ スピンドルシャフト（回転軸）
７３ スラストベアリング（ベアリング）
７４ ラジアルベアリング（ベアリング）
７５ 筒状部材
７６ 駆動源
７７ 圧縮エア供給源
７８ 水圧供給部
７９ オリフィスピン
７５１ 薄肉部（変形部）
７５２ フランジ部
７５３ シャフト挿入穴（回転軸挿入穴）
７５６ Ｏリング

Claims (1)

1. スピンドルハウジングと、前記スピンドルハウジング中に配設されたベアリングと、前記ベアリングの中心に形成された回転軸挿入穴中に回転可能に挿入された回転軸と、から構成されたスピンドルユニットであって、
   前記スピンドルハウジングには前記回転軸の回転を停止させるための少なくとも１つの回転停止手段を備え、
   前記回転停止手段は、前記スピンドルハウジングと前記回転軸の間に前記回転軸を囲繞して配設された筒状部材と、前記筒状部材に水圧を供給する水圧供給部と、を備え、
   前記筒状部材は、前記回転軸の外径よりも大きな内径で形成された回転軸挿入穴と、前記回転軸挿入穴を画成する内壁の全周で且つ水圧により変形する部材により肉薄に形成された変形部と、からなり、
   前記変形部の外径方向外側は水で満たされており、前記水圧供給部から供給された水圧により前記変形部が外径方向内側に変形し前記回転軸挿入穴の内径を縮小し前記回転軸の外周に径方向から当接して前記回転軸の回転を停止させる、
   ことを特徴とするスピンドルユニット。

Images