JP6774242B2

JP6774242B2 - スピンドルユニット

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Publication number: JP6774242B2
Application number: JP2016141937A
Authority: JP
Inventors: 彰上北
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2020-10-21
Anticipated expiration: 2036-07-20
Also published as: JP2018012149A

Description

本発明は、先端に加工具が装着されたスピンドルユニットに関する。

研削装置のスピンドルユニットとして、スピンドル軸を高圧エアで支持するエアスピンドルで構成され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は、ケーシング内でスピンドル軸が直立姿勢で支持されており、ケーシングから突出したスピンドル軸の先端のマウントに研削ホイールが装着されている。スピンドルユニットによる研削加工では、加工負荷がスピンドル軸方向に作用するため、スピンドル軸に形成されたフランジ部とケーシングの支持面との間の高圧エアによってスラストベアリングが形成されている。

特開２０１３−１５８８７２号公報

研削装置のスピンドルユニットでは、ユニットの小型化、且つ研削負荷に対する耐久性が求められている。この場合、スラストベアリングの排気を側方に噴出させる構造にすることで、スラストベアリングのスラスト面が広くなって研削負荷に強い構造になるが、ケーシングとスピンドル軸の隙間が外部に露出される。この隙間を保護するためにカバーが必要になるが、スピンドル軸の露出部分の周囲にカバーが設けられても、スピンドル軸とカバーの隙間から研削水に含まれる加工屑が進入し、スピンドル軸を齧らせる原因になっていた。特に、研削水が乾燥すると、カバーとスピンドル軸の隙間の加工屑が固まってスピンドル軸が回転できなくなっていた。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、カバーとスピンドル軸の隙間への加工屑の進入を抑えて、スピンドル軸の齧りを防止することができるスピンドルユニットを提供することを目的の１つとする。

本発明の一態様のスピンドルユニットは、先端に加工具を装着するマウントを連結するスピンドル軸と、該スピンドル軸を囲繞して該スピンドル軸に向かってエアを噴射させ支持するエアベアリングを形成するケーシングと、を備えるスピンドルユニットであって、該ケーシングの下端面と該マウントの上面との間の該スピンドル軸の外側面に隙間を備えて該スピンドル軸を囲繞するカバーを備え、該カバーに形成し該隙間に水を供給する供給路を備え、該供給路には、該供給路に水を供給する水供給源と、該カバーの内側面に形成され、該供給路に供給された水を該スピンドル軸の周囲に回り込ませるリング状の水溜め部と、該カバーの内周面で該水溜め部よりも下方に配置され、該スピンドル軸の径方向における該隙間の幅を狭めるリングと、が設けられている。

この構成によれば、ケーシングの下端面から突出したスピンドル軸がカバーに囲繞されるため、加工時に発生した加工屑等がケーシング内に入り込み難くなっている。また、カバーとスピンドル軸の隙間が水で埋められ、水によってカバーの内側への加工屑の進入が抑えられている。カバーの内側が水で満たされているため、カバーの内側に加工屑が入り込んでも加工屑が乾燥して固まることがない。よって、加工屑によるスピンドル軸の齧りを効果的に防止することができる。

本発明によれば、カバーとスピンドル軸の隙間に水を供給することで、カバーとスピンドル軸の隙間への研削屑の進入を抑えて、スピンドル軸の齧りを防止することができる。

本実施の形態の研削装置の斜視図である。比較例のスピンドルユニットの側面図である。本実施の形態のスピンドルユニットの断面模式図である。本実施の形態のスピンドルカバーの斜視図である。本実施の形態のスピンドルカバーに対する水の供給状態の説明図である。

以下、添付図面を参照して、本実施の形態の研削装置について説明する。図１は、本実施の形態の研削装置の斜視図である。なお、本実施の形態の研削装置は、図１に示すように研削加工専用の装置構成に限定されず、例えば、研削加工、研磨加工、洗浄加工等の一連の加工が全自動で実施されるフルオートタイプの加工装置に組み込まれてもよい。

図１に示すように、研削装置１は、多数の研削砥石４７を環状に並べた研削ホイール（加工具）４６を用いて、チャックテーブル２０に保持された板状ワークＷを研削するように構成されている。板状ワークＷは保護テープＴが貼着された状態で研削装置１に搬入され、保護テープＴを介してチャックテーブル２０に保持される。なお、板状ワークＷは、研削対象となる板状部材であればよく、シリコン、ガリウム砒素等の半導体ウェーハでもよいし、セラミック、ガラス、サファイア等の光デバイスウェーハでもよいし、デバイスパターン形成前のアズスライスウェーハでもよい。

研削装置１の基台１０の上面には、Ｘ軸方向に延在する矩形状の開口が形成され、この開口はチャックテーブル２０と共に移動可能な移動板１１及び蛇腹状の防水カバー１２に覆われている。防水カバー１２の下方には、チャックテーブル２０をＸ軸方向に移動させるボールねじ式の進退手段（不図示）が設けられている。チャックテーブル２０は回転手段（不図示）に連結されており、回転手段の駆動によって回転可能に構成されている。また、チャックテーブル２０の上面には、多孔質のポーラス材によって板状ワークＷを吸引保持する保持面２１が形成されている。

基台１０上のコラム１５には、研削手段４０をチャックテーブル２０に対して接近及び離反させる方向（Ｚ軸方向）に研削送りする研削送り手段３０が設けられている。研削送り手段３０は、コラム１５に配置されたＺ軸方向に平行な一対のガイドレール３１と、一対のガイドレール３１にスライド可能に設置されたモータ駆動のＺ軸テーブル３２とを有している。Ｚ軸テーブル３２の背面側には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３３が螺合されている。ボールネジ３３の一端部に連結された駆動モータ３４によりボールネジ３３が回転駆動されることで、研削手段４０がガイドレール３１に沿ってＺ軸方向に移動される。

研削手段４０は、ハウジング４１を介してＺ軸テーブル３２の前面に取り付けられており、スピンドルユニット４２で研削ホイール４６を高速回転させるように構成されている。スピンドルユニット４２は、いわゆるエアスピンドルであり、ケーシング４３の内側でエアを介してスピンドル軸４４を浮動支持している。スピンドル軸４４の先端にはマウント４５が連結されており、マウント４５には多数の研削砥石４７が環状に配設された研削ホイール４６が装着されている。研削砥石４７は、ダイヤモンド砥粒をメタルボンドやレジンボンド等の結合剤で固めて形成されている。

また、研削手段４０の高さ位置はリニアスケール５１によって測定されている。リニアスケール５１は、Ｚ軸テーブル３２に設けた読取部５２でガイドレール３１の表面に設けたスケール部５３の目盛りを読み取ることで、研削手段４０の高さ位置を測定している。基台１０の上面には、板状ワークＷの厚みを測定する厚み測定手段５５が設けられている。厚み測定手段５５は、チャックテーブル２０の保持面２１及び板状ワークＷの上面に一対の接触子５６、５７を接触させ、チャックテーブル２０の保持面高さと板状ワークＷの上面高さの差分から板状ワークＷの厚みを測定している。

また、研削装置１には、装置各部を統括制御する制御手段５０が設けられている。制御手段５０は、各種処理を実行するプロセッサやメモリ等により構成される。メモリは、用途に応じてＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の一つ又は複数の記憶媒体で構成される。この研削装置１では、研削水を供給しながら研削ホイール４６の研削砥石４７で板状ワークＷの上面を削り取ることで薄化している。このとき、制御手段５０は、リニアスケール５１で測定した研削手段４０の高さ位置と厚み測定手段５５で測定した板状ワークＷの厚みとに基づいて、研削手段４０の研削送り量を高精度に制御している。

ところで、図２Ａに示すように、比較例の研削装置ではスピンドルユニット８１としてエアスピンドルが使用されており、ケーシング８２内で噴射したエアがケーシング８２とスピンドル軸８３の隙間から外部に排出される。このため、ケーシング８２とスピンドル軸８３の隙間から研削水等が入り込まないように、ケーシング８２の下部にはスピンドル軸８３の外側面を覆うカバー８４が設けられている。しかしながら、スピンドル軸８３とカバー８４には僅かな隙間が存在するため、研削水がカバー８４に接触すると毛細管現象等によってカバー８４の内側に研削屑を含む研削水が入り込んでしまう。

この場合、図２Ｂに示すように、スピンドル軸８３とカバー８４の隙間からのエア排気量を増やすことで、隙間内に研削水が入り込むことを防止することも考えられる。しかしながら、エア排気量の増加によってカバー８４の下縁周辺に乱流が生じて、カバー８４の下縁にゴミ８６が堆積するという問題があった。エア排気量を抑えると、カバー８４内への研削水の進入を抑えることができないため、研削水が乾燥するとスピンドル軸８３とカバー８４の隙間が研削屑で埋められて、研削屑が固まることでスピンドル軸８３が齧って回転不能になる恐れがあった。

そこで、図１に示すように、本実施の形態の研削装置１では、ケーシング４３の下端とマウント４５の上面との間で外部に露出するスピンドル軸４４の外側面に対して隙間を空けて、スピンドルカバー（カバー）６０でスピンドル軸４４を囲繞するようにしている。また、スピンドル軸４４の外側面とスピンドルカバー６０の内側面の隙間を水で埋めて、研削屑を含む研削水の進入を抑えている。スピンドルカバー６０の内側に水が保持されているため、隙間内に研削水が入り込んだとしても乾燥によって研削屑が固まることがなく、スピンドル軸４４の齧りを効果的に防止することが可能になっている。

以下、図３及び図４を参照して、本実施の形態のスピンドルユニットについて説明する。図３は、本実施の形態のスピンドルユニットの断面模式図である。図４は、本実施の形態のスピンドルカバーの斜視図である。

図３に示すように、スピンドルユニット４２は、直立姿勢のスピンドル軸４４をケーシング４３で囲繞して、スピンドル軸４４に対してケーシング４３からエアを噴出させて、スピンドル軸４４を回転可能に支持するエアベアリングを形成している。スピンドル軸４４の先端には研削ホイール４６を装着したマウント４５が連結され、スピンドル軸４４の後端には回転駆動源のモータ７１が連結されている。モータ７１は、スピンドル軸４４の上端部分に設けられたロータ７２と、冷却ジャケット７４を介してケーシング４３の内周面に設けられたステータ７３とで構成されている。冷却ジャケット７４内には多数の冷却水路７５が形成されており、冷却水路７５によってモータ７１の発熱が抑えられている。

スピンドル軸４４の下端部分及び中間部分には大径の円板部７６、７７が形成され、ケーシング４３の下端部分には円板部７６、７７の間に入り込むように環状部７８が形成されている。この場合、スピンドル軸４４の円板部７６、７７とケーシング４３の環状部７８の間には、エアの通り路になる僅かな隙間が設けられている。環状部７８の外面には多数の噴射口７９が形成されており、各噴射口７９は環状部７８内の流路を通じてエア供給源８０に接続されている。環状部７８の多数の噴射口７９からスピンドル軸４４の外面に噴射されることで、スピンドル軸４４がケーシング４３に対してエアを介して浮動支持される。

このとき、ケーシング４３の環状部７８によってエアを介して広い面積でスピンドル軸４４の円板部７６、７７が浮動支持されているため、スピンドル軸４４に対してスラスト方向に作用する加工負荷が分散されている。また、スピンドル軸４４とケーシング４３内のエアは、モータ７１を空冷しながらスピンドルユニット４２の上方から排気されると共に、ケーシング４３の下端に設けられた円筒状のスピンドルカバー６０の排気口６１から排気される。スピンドルカバー６０によってケーシング４３の下端から突出したスピンドル軸４４（円板部７７）が囲繞されているため、研削水がケーシング４３内に入り込み難くなっている。

図３及び図４に示すように、スピンドルカバー６０の側壁には、スピンドル軸４４とスピンドルカバー６０の隙間に水を供給する供給路６２が形成されている。供給路６２には可変絞り弁６７及び開閉弁６８を介して水供給源６９が接続されており、可変絞り弁６７によって水供給源６９からの水の供給量が調整され、開閉弁６８のよって水供給源６９による水の供給及び停止が切り替えられる。スピンドルカバー６０の内側面には、供給路６２に連なるリング状の水溜め部６３が形成されている。水溜め部６３は、スピンドルカバー６０の内側面全周に亘って形成され、供給路６２から供給された水をスピンドル軸４４の周囲に回り込ませている。

スピンドルカバー６０の内周面の下端には、水溜め部６３から溢れた水を受け止めるゴムリング６４が取り付けられている。ゴムリング６４の内側面は、下方に向かってスピンドル軸４４（円板部７７）の外側面との隙間を狭めるように傾斜しており、スピンドルカバー６０の下端からの水の流出を最小限に抑えている。このため、水溜め部６３から溢れた水がスピンドルカバー６０の内側面を伝って流れ落ちると、ゴムリング６４によって水の流れが部分的に堰き止められる。この水の流れの部分的な堰き止めを切っ掛けにしてスピンドルカバー６０とスピンドル軸４４の隙間に水が溜まり始める。

スピンドルカバー６０とスピンドル軸４４（円板部７７）の隙間が水で埋まることで、研削屑を含む研削水のスピンドルカバー６０内への進入が防止されている。このとき、水がエアベアリング側に入り込まず、水が研削屑の進入を抑えるのに十分な奥行き（厚み）を持つように水の供給量（例えば、０．１〜０．５［ｌ／ｍｉｎ］）が調整されている。なお、上記したように、スピンドルカバー６０の上端側の排気口６１からエアが排気されているため、スピンドルカバー６０内に溜まった水がエアによって押し出されることがない。

このように、研削中は、スピンドルカバー６０とスピンドル軸４４（円板部７７）の隙間が水で満たされているため、スピンドルカバー６０内への研削屑を含む研削水の進入が抑えられ、さらに研削屑が進入したとしても研削屑が乾燥することがない。スピンドルカバー６０とスピンドル軸４４の隙間に入り込んだ研削屑が固まることがないため、スピンドル軸４４の齧りを防止することが可能になっている。研削終了後は、スピンドルカバー６０への水の供給が停止されるが、スピンドルカバー６０内への研削屑の進入量が最小限に抑えられているため、研削屑が乾燥して固まってもスピンドル軸４４を齧らせることがない。

続いて、図５を参照して、スピンドルカバーに対する水の供給について説明する。図５は、本実施の形態のスピンドルカバーに対する水の供給状態の説明図である。図５Ａはスピンドルカバーに水が溜まっていない状態、図５Ｂはスピンドルカバーに水が溜まり始めた状態、図５Ｃはスピンドルカバーに水が十分に溜まった状態をそれぞれ示している。

図５Ａに示すように、研削の開始時には開閉弁６８が開かれて水供給源６９から可変絞り弁６７を通じてスピンドルカバー６０の供給路６２に水が供給され始める。供給路６２内の水が、スピンドルカバー６０の内側面全周に形成されたリング状の水溜め部６３に流れ込み、水溜め部６３を通ってスピンドル軸４４を回り込む。このように、水溜め部６３によって一時的に水が貯留されることで、スピンドルカバー６０の全周に水を行き渡らせることができ、スピンドルカバー６０とスピンドル軸４４の隙間に全周から水を供給することが可能になっている。

図５Ｂに示すように、水溜め部６３から溢れ出た水がスピンドルカバー６０の内側面を伝って流れ落ち、スピンドルカバー６０の下端でゴムリング６４によって受け止められる。ゴムリング６４によってスピンドルカバー６０とスピンドル軸４４の隙間が狭められているため、水の流れがゴムリング６４によって部分的に堰き止められる。ゴムリング６４とスピンドル軸４４の僅かな隙間から水が流出しているが、スピンドルカバー６０からの水の流出量よりもスピンドルカバー６０への水の供給量が多いため、スピンドルカバー６０とスピンドル軸４４の隙間に徐々に水が溜まり始める。

図５Ｃに示すように、スピンドルカバー６０とスピンドル軸４４の隙間に十分な水が溜まると、所定の水位になるようにスピンドルカバー６０に対する水の供給量が調整される。スピンドルカバー６０とスピンドル軸４４の隙間が水で満たされることで、研削屑を含む研削水Ｌがスピンドルカバー６０内に入り込み難くなっている。すなわち、ゴムリング６４によってスピンドルカバー６０とスピンドル軸４４の隙間が狭められ、さらにゴムリング６４とスピンドル軸４４の隙間から水が流出することで、スピンドルカバー６０内に入り込もうとする研削水が押し戻される。

また、毛細管現象等でスピンドルカバー６０とスピンドル軸４４の隙間に研削屑が入り込んでも、水で満たされた隙間内で研削屑が乾燥して固まることがない。すなわち、研削屑がスピンドルカバー６０の内側面やスピンドル軸４４の外側面に付着して固まることがなく、再び外部に研削屑を排出させることができる。さらに、エアスピンドルのエアの排気に抗して、隙間に入り込んだ研削屑がエアスピンドル側に向おうとしても、水溜め部６３によって水と共に研削屑が途中で捉えられる。このように、スピンドルカバー６０内に研削屑が入り込んでもエアスピンドルまで研削屑が到達し難くなっている。

以上のように、本実施の形態のスピンドルユニット４２によれば、ケーシング４３の下端面から突出したスピンドル軸４４がスピンドルカバー６０に囲繞されるため、研削時に発生した研削屑等がケーシング４３内に入り込み難くなっている。また、スピンドルカバー６０とスピンドル軸４４の隙間が水で埋められ、水によってスピンドルカバー６０の内側への研削屑の進入が抑えられている。スピンドルカバー６０の内側が水で満たされているため、スピンドルカバー６０の内側に研削屑が入り込んでも研削屑が乾燥して固まることがない。よって、研削屑によるスピンドル軸４４の齧りを効果的に防止することができる。

なお、本実施の形態では、研削装置１のスピンドルユニット４２について説明したが、この構成に限定されない。スピンドルユニットはスピンドルカバーの内側に水を供給することができる構成であればよく、例えば研磨装置のスピンドルユニットでもよい。この場合、スピンドルユニットには加工具として研削ホイールの代わりに研磨パッドが装着される。

また、本実施の形態では、スピンドルカバー６０の内側面にリング状の水溜め部６３が形成される構成にしたが、この構成に限定されない。スピンドルカバー６０の内側面には水溜め部６３が形成されていなくてもよい。

また、本実施の形態では、スピンドルカバー６０の内側面にゴムリング６４が取り付けられる構成にしたが、この構成に限定されない。スピンドルカバー６０とスピンドル軸４４の隙間を水で満たすことができる構成であればよく、例えば、ゴムリング６４を設けずに、スピンドルカバー６０に対する水の供給量を増やしてスピンドルカバー６０とスピンドル軸４４の隙間を水で満たすようにしてもよい。

また、本実施の形態及び変形例を説明したが、本発明の他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。

また、本発明の実施の形態は上記の実施の形態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。したがって、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形態をカバーしている。

また、本実施の形態では、本発明を研削装置に適用した構成について説明したが、カバーとスピンドル軸の隙間を水で満たして加工屑の進入を抑え、スピンドル軸の齧りを防止することができる加工装置に適用することも可能である。

以上説明したように、本発明は、カバーとスピンドル軸の隙間への加工屑の進入を抑えて、スピンドル軸の齧りを防止することができるという効果を有し、特に、研削装置のスピンドルユニットに有用である。

１研削装置
４２スピンドルユニット
４３ケーシング
４４スピンドル軸
４５マウント
４６研削ホイール（加工具）
４７研削砥石
６０スピンドルカバー（カバー）
６２供給路

Claims

先端に加工具を装着するマウントを連結するスピンドル軸と、該スピンドル軸を囲繞して該スピンドル軸に向かってエアを噴射させ支持するエアベアリングを形成するケーシングと、を備えるスピンドルユニットであって、
該ケーシングの下端面と該マウントの上面との間の該スピンドル軸の外側面に隙間を備えて該スピンドル軸を囲繞するカバーを備え、
該カバーに形成し該隙間に水を供給する供給路を備え、
該供給路には、
該供給路に水を供給する水供給源と、
該カバーの内側面に形成され、該供給路に供給された水を該スピンドル軸の周囲に回り込ませるリング状の水溜め部と、
該カバーの内周面で該水溜め部よりも下方に配置され、該スピンドル軸の径方向における該隙間の幅を狭めるリングと、が設けられているスピンドルユニット。