JP7477975B2

JP7477975B2 - 研削装置

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Publication number: JP7477975B2
Application number: JP2020000270A
Authority: JP
Inventors: 宏平浅井
Original assignee: Disco Corp
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2024-05-02
Anticipated expiration: 2040-01-06
Also published as: JP2021109247A

Description

本発明は、研削装置に関する。

被加工物を研削砥石を用いて研削加工する研削装置は、保持面に被加工物を保持する保持手段と、研削砥石を環状に配置した研削ホイールを回転させて、研削砥石を用いて保持手段に保持された被加工物を研削する研削手段と、研削手段を保持面に垂直な上下方向に移動させる上下移動手段とを備えている。

研削加工は、研削手段を保持手段に接近させる下方向に移動させて、被加工物に研削砥石を押し付けながら研削している。特許文献１に開示のように研削荷重によって変化する保持面と研削面との平行度を監視して、平行度が低下しないように上下移動手段の移動速度を制御するという発明がある。

特開２０１４－０３７０２２号公報

そのため、研削砥石を被加工物に強く押し付けたくても押し付けられないために研削加工時間が大きくなるという問題がある。また、研削砥石を強く押し付けたことにより発生した研削荷重によって撓んだ保持手段および保持手段を支持する少なくとも３つの支持柱にかかる研削荷重が、被加工物を所定の厚みに研削した後にゆっくり研削砥石を上昇させることでなくなっていく。このときに撓んでいた保持手段などが元の形に戻ろうとして、ゆっくり上昇している研削砥石に接触することとなる。また、それぞれの支持柱にかかる研削荷重の大きさは異なるため、元に戻ろうとする力にも差が生じており、被加工物の径方向において研削砥石の当たる強さは異なる。その強さの違いによって被加工物の厚み精度が悪くなるという問題がある。
したがって、研削装置には、研削荷重で保持手段が撓んだとしても、被加工物を高精度の厚み精度で研削するという課題がある。

本発明は、保持面に被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルの下における該保持面の中心を中心とする円周上の等間隔な位置に配置される少なくとも１つが高さ調整可能である少なくとも３つの支持柱と、該支持柱を立設させるスライダと、該スライダを該保持面に平行な水平方向に移動させる水平移動手段と、研削砥石を環状に配置した研削ホイールを回転させて該チャックテーブルに保持された被加工物を該研削砥石を用いて研削する研削手段と、該保持面に垂直な上下方向に該研削手段を移動させる上下移動手段と、該保持面に保持された被加工物の厚みを測定する厚み測定手段と、を備える研削装置であって、該チャックテーブルの下面と該スライダの上面との間隔を測定する間隔測定器と、該研削砥石を徐々に下降させたことにより被加工物を所定の厚みに研削した該研削砥石を被加工物から離間させる際に、研削荷重を受けて小さくなった該間隔が、該研削荷重を小さくして研削荷重を受けていないときの間隔に戻ろうとするスプリングバックによって予め設定した値になるときの該研削砥石の高さに研削砥石を上昇させ停止させた状態で予め設定した時間、該研削砥石の下面を該被加工物に接触させて該被加工物の被研削面を研削することと、該上下移動手段を用いて該予め設定した時間を経過した該研削砥石を上昇させて該研削砥石の下面を該被研削面から離間させることとを制御する制御手段と、を備える、研削装置である。

本発明では、スプリングバックを考慮して、研削砥石を離間させるときに被加工物から僅かに上昇させたＺ軸方向の高さ位置で研削砥石を停止させて、回転する研削砥石を用いて被研削面の面精度を整えるスパークアウト研削を実施するため、保持手段のスプリングバックがなくなってから研削砥石を被加工物から離間させることができ、被加工物の厚み精度を高精度に仕上げることが可能になる。
また、スプリングバックを考慮して、研削砥石を高速で上昇させた位置でスパークアウト研削を実施するため、研削時間を短縮することが可能となる。

研削装置全体を表す斜視図である。研削装置を側方からみた様子を表す断面図である。本研削加工における研削砥石の下降速度の変化を表すグラフである。本研削加工におけるスパークアウト、及びエスケープカットの際の研削砥石の下降速度について表したグラフである。従来の研削加工における研削砥石の下降速度の変化を表すグラフである。従来の研削加工におけるスパークアウト、及びエスケープカットの際の研削砥石の下降速度について表したグラフである。

１研削装置の構成
図１に示す研削装置１は、被加工物Ｗを研削加工する研削装置である。以下、研削装置１の構成について説明する。
研削装置１は、図１に示すように、Ｙ軸方向に延設されたベース１０と、ベース１０の上における＋Ｙ方向側に立設されたコラム１１とを備えている。

ベース１０の上には、チャックテーブル２が配設されている。チャックテーブル２は、円板状の吸引部２０と吸引部２０を支持する環状の枠体２１と枠体２１と枠体２１を支持する基台２２とを備えている。吸引部２０の上面は被加工物Ｗが吸引保持される保持面２０ａであり、枠体２１の上面２１ａは、保持面２０ａに面一に形成されている。基台２２の下部には、Ｚ軸方向の回転軸２５を軸にして基台２２を回転させる機能を有する回転手段２４が連結されている。回転手段２４を用いて回転軸２５を軸にして基台２２を回転させることによって、基台２２に支持されているチャックテーブル２が回転軸２５を軸にして回転することとなる。

ベース１０の上には、厚み測定手段１００が配設されている。厚み測定手段１００は、例えば研削装置１のベース１０の上の－Ｘ方向側に配設された筐体１０３を備えている。筐体１０３の側面には、研削手段３の下方に向けて略水平に延びる２本のアームが連結されており、２本のアームの筐体１０３に連結されていない側の端部には、それぞれ保持面ハイトゲージ１０１及び上面ハイトゲージ１０２が配設されている。
保持面ハイトゲージ１０１の接触子を枠体２１の上面２１ａの上に接触させることにより、枠体２１の上面２１ａに面一な吸引部２０の保持面２０ａの高さを測定することができる。また、例えば保持面２０ａに被加工物Ｗが保持されている状態で、上面ハイトゲージ１０２の接触子を被加工物Ｗの上面Ｗａに接触させることにより、被加工物Ｗの上面Ｗａの高さを測定することができる。
筐体１０３は、算出手段１０４に接続されている。算出手段１０４においては、保持面ハイトゲージ１０１によって測定された保持面２０ａの高さから、上面ハイトゲージ１０２によって測定された被加工物Ｗの上面Ｗａの高さを差し引いて、被加工物Ｗの厚みを算出することが可能となっている。

コラム１１の－Ｙ方向側の側面には、例えば、研削手段３を支持する上下移動手段４が配設されている。研削手段３は、Ｚ軸方向の回転軸３５を有するスピンドル３０と、スピンドル３０を回転可能に支持するハウジング３１と、回転軸３５を軸にしてスピンドル３０を回転駆動するスピンドルモータ３２と、スピンドル３０の下端に接続された円環状のマウント３３と、マウント３３の下面に着脱可能に装着された研削ホイール３４とを備えている。研削ホイール３４は、ホイール基台３４１と、ホイール基台３４１の下面に環状に配列された略直方体形状を有する複数の研削砥石３４０とを備えており、研削砥石３４０の下面３４０ａは被加工物Ｗを研削する研削面となっている。
スピンドルモータ３２を用いて、回転軸３５を軸にしてスピンドル３０を回転させることにより、スピンドル３０に接続されているマウント３３及びマウント３３に装着されている研削砥石３４０が、回転軸３５を軸にして回転することとなる。

上下移動手段４は、Ｚ軸方向の回転軸４５を有するボールネジ４０と、ボールネジ４０に対して平行に配設された一対のガイドレール４１と、ボールネジ４０の上端に連結され回転軸４５を軸にしてボールネジ４０を回動させるモータ４２と、内部のナットがボールネジ４０に螺合し側部がガイドレール４１に摺接する昇降板４３と、昇降板４３に連結されスピンドル３０を保持するホルダ４４とを備えている。
モータ４２を用いてボールネジ４０を駆動することにより、ボールネジ４０が回転軸４５を軸にして回転すると、これに伴って、昇降板４３がガイドレール４１に案内されてＺ軸方向に昇降移動するとともにホルダ４４に保持されている研削手段３が、保持面２０ａに垂直な上下方向であるＺ軸方向に移動することとなる。

チャックテーブル２の周囲にはカバー２８が配設されており、カバー２８は蛇腹２９に伸縮可能に連結されている。
チャックテーブル２がＹ軸方向に移動すると、カバー２８がチャックテーブル２と一体的にＹ軸方向に移動して、蛇腹１３が伸縮することとなる。

研削装置１は、チャックテーブル２の下における保持面２０ａの中心Ｏを中心とする円周上に等間隔に配設された少なくとも３つ（図１においては２つの支持柱６が示されている）の支持柱６を備えている。

研削装置１は、直方体状のスライダ７を備えている。スライダ７の上面７ａには、支持柱６が立設されている。
なお、スライダーは、ターンテーブルであってもよい。

研削装置１は、間隔測定器８を１つ備えてもよいし、複数備えていてもよい。複数の間隔測定器８は、保持面２０ａの中心Ｏを中心とする円周上における等間隔に離れた少なくとも３箇所において、チャックテーブル２の基台２２の下面２２ｂとスライダ７の上面７ａとの間隔を測定することができる。なお、間隔測定器８が１つの場合は、研削砥石の円周と保持面２０ａの外周とが交差する部分の直下で測定するとよい。図１においては、スライダ７の上面７ａにおける支持柱６に隣接する位置に配設された２つの間隔測定器８が示されており、間隔測定器８のうちの単数又は複数が省略されている。
間隔測定器８は、例えば筐体８０、筐体８０に設けられた投光部８１及び受光部８２を有するレーザー変位計等（例えばＬＫ－Ｇ５０００、キーエンス社製）である。間隔測定器８は、投光部８１からレーザー光線を投光して、チャックテーブル２の基台２２の下面２２ｂにおいて反射した反射光を受光部において受光することにより、チャックテーブル２の基台２２の下面２２ｂとスライダ７の上面７ａとの間隔を測定することができる。

ベース１０の内部には、内部ベース１２が配設されている。内部ベース１２の上には、スライダ７を保持面２０ａに平行な水平方向（Ｙ軸方向）に移動させる水平移動手段５が配設されている。

水平移動手段５は、Ｙ軸方向の回転軸５５を有するボールネジ５０と、ボールネジ５０に対して平行に配設された一対のガイドレール５１と、ボールネジ５０に連結され回転軸５５を軸にしてボールネジ５０を回動させるＹ軸モータ５２と、底部のナットがボールネジ５０に螺合してガイドレール５１に沿ってＹ軸方向に移動するスライダ７とを備えている。Ｙ軸モータ５２によりボールネジ５０が駆動されてボールネジ５０が回転軸５５を軸として回転すると、これに伴い、スライダ７がガイドレール５１に案内されてＹ軸方向に移動することとなる。

支持柱６は、図２に示すように、固定支持部６Ａ及び可動支持部６Ｂを備えている。固定支持部６Ａは、スライダ７の上面７ａに立設された柱状の部材であり、基台２２を支持している。

可動支持部６Ｂは、例えば、筒部６１と軸部６２とモータ６３とを備えるボールシリンダ機構である。筒部６１は、例えばその底面６１ｂが基台２２の下面２２ｂに連結された有底円筒状のシリンダ等であり、その内側面には雌ネジ６１ａが形成されている。
軸部６２は、例えばスライダ７に設けられた穴７０に回転可能に埋設された小径の下部６２０と、筒部６１の雌ネジ６１ａに対応する雄ネジ６２ａが形成された大径の上部６２１とを有するボールネジ等である。図２においては、上部６２１の雄ネジ６２ａが筒部６１の雌ネジ６１ａに螺合して上部６２１の上側半分程度が筒部６１に収容されている。
モータ６３は、軸部６２に接続されている。モータ６３は、回転軸６５を軸にして軸部６２を回転させる機能を有している。

モータ６３を用いて軸部６２を駆動することにより、軸部６２が回転軸６５を軸にして回転すると、その上部６２１の雄ネジ６２ａが筒部６１の雌ネジ６１ａに螺合して、筒部６１が軸部６２に対してＺ軸方向に昇降するとともに、筒部６１に連結されている基台２２の＋Ｙ方向側がＺ軸方向に昇降して、チャックテーブル２の傾きが調整される。
例えば、軸部６２が回転軸６５を軸にして所定の回転方向に回転して、軸部６２の上部６２１が筒部６１に螺入していくと、チャックテーブル２の＋Ｙ方向側が－Ｚ方向に引き下げられることとなる。一方で、例えば、軸部６２が回転軸６５を軸にして上記の回転方向と反対の方向に回転して、軸部６２の上部６２１が筒部６１から－Ｚ方向に突出していくとチャックテーブル２の＋Ｙ方向側が＋Ｚ方向に押し上げられることとなる。

研削装置１は、制御手段９を備えている。制御手段９は、研削装置１の各種の機構の動作を制御することができる。

２研削装置の動作
上記の研削装置１を用いて被加工物Ｗを研削加工する際の研削装置１の動作について、以下に説明する。
まず、図１に示したチャックテーブル２の保持面２０ａに被加工物Ｗを載置してから、図示しない吸引手段を用いて吸引力を発揮して、生み出された吸引力を保持面２０ａに伝達することによって、保持面２０ａに被加工物Ｗを吸引保持する。

次に、保持面２０ａに被加工物Ｗが吸引保持されている状態で、水平移動手段５を用いて保持面２０ａに被加工物Ｗが保持されているチャックテーブル２を＋Ｙ方向に移動させて、研削手段３の下方に位置付ける。これにより、図２に示すように、研削砥石３４０の下面３４０ａの外周が、被加工物Ｗの上面Ｗａの中心を通るように、チャックテーブル２が位置付けられる。

その後、回転手段２４を用いて回転軸２５を軸にしてチャックテーブル２を回転させることによって、回転軸２５を軸にしてチャックテーブル２の保持面２０ａに吸引保持されている被加工物Ｗを回転させる。
また、スピンドルモータ３２を用いて回転軸３５を軸にして研削砥石３４０を回転させる。

チャックテーブル２の保持面２０ａに吸引保持されている被加工物Ｗが回転軸２５を軸にして回転しており、かつ、研削砥石３４０が回転軸３５を軸にして回転している状態で、研削砥石３４０を－Ｚ方向に下降させていき、被加工物Ｗを研削加工する。

具体的には、まず、制御手段９を用いて上下移動手段４を制御して、研削手段３を駆動することにより、研削手段３の研削砥石３４０を図３に示す加工準備の下降速度Ｖｏで－Ｚ方向に下降させる。これにより、研削砥石３４０の下面３４０ａがエアーカット位置Ｚ１に位置づけられる。

次いで、制御手段９を用いて上下移動手段４を制御して、研削砥石３４０を第１研削速度Ｖ１でさらに－Ｚ方向に下降させていき、エアーカットを行う。これにより、研削砥石３４０の下面３４０ａが、研削面接触位置Ｚｃに位置づけられて、被加工物Ｗの上面Ｗａに接触する。第１研削速度Ｖ１は、例えば上記の加工準備の下降速度Ｖｏよりも小さいものとする。

研削砥石３４０の下面３４０ａが被加工物Ｗの上面Ｗａに接触している状態で、さらに、研削砥石３４０を第１研削速度Ｖ１で－Ｚ方向に徐々に下降させていき、被加工物Ｗの粗研削を行う。被加工物Ｗの粗研削終了時、研削砥石３４０の下面３４０ａは粗研削終了位置Ｚ２に位置づけられる。

そして、研削砥石３４０の下面３４０ａが粗研削終了位置Ｚ２に位置づけられている状態で、制御手段９を用いて上下移動手段４を制御して、研削砥石３４０を第２研削速度Ｖ２で、さらに－Ｚ方向に下降させていき、被加工物Ｗの仕上げ研削を行う。第２研削速度Ｖ２は、例えば上記の第１研削速度Ｖ１よりも小さいものとする。
被加工物Ｗの研削加工中には、図１に示した厚み測定手段１００によって被加工物Ｗの厚みが測定される。被加工物Ｗの厚みが所定の厚みになったら仕上げ研削を終了する。仕上げ研削終了時、研削砥石３４０の下面３４０ａは仕上げ研削終了位置Ｚ３に位置づけられる。

研削加工中、図１及び図２に示した間隔測定器８を用いて、保持面２０ａの中心Ｏを中心とする円周上の等間隔な３箇所における、チャックテーブル２の基台２２の下面２２ｂとスライダ７の上面７ａとの間隔を測定する。
上記のように、研削砥石３４０の下面３４０ａが被加工物Ｗの上面Ｗａに接触している状態で、研削砥石３４０を－Ｚ方向に移動させて被加工物Ｗの上面Ｗａに対して押し下げていくと、被加工物Ｗが保持されているチャックテーブル２が研削砥石３４０から－Ｚ方向への押力等である研削荷重を受けて、研削荷重を受けていないときよりも基台２２の下面２２ｂの高さ位置が低くなる。
そのため、被加工物Ｗの仕上げ研削終了時には、基台２２の下面２２ｂとスライダ７の上面７ａとの間隔が、図３に示すように、研削荷重によってチャックテーブル２が沈み込んだ量Ｄの分小さくなっている。

研削加工後、上下移動手段４を用いて研削砥石３４０を＋Ｚ方向に上昇させることにより、研削砥石３４０を被加工物Ｗから離間させる。その際、チャックテーブル２の基台２２にスプリングバックが生じることにより、研削荷重を受けて小さくなっている基台２２の下面２２ｂとスライダ７の上面７ａとの間隔が、研削荷重を受けていないときの大きさに戻ろうとする。

そこで、まず、制御手段９を用いて上下移動手段４を制御して、チャックテーブル２の基台２２の下面２２ｂとスライダ７の上面７ａとの間隔が予め設定した値になるときの研削砥石３４０の下面３４０ａの高さＺ４に研削砥石３４０を上昇させて、研削砥石３４０の上昇を停止させる。
その状態で、予め設定した時間Ｔ、研削砥石３４０の下面３４０ａを被加工物Ｗに接触させて、スパークアウトを行う。

そして、予め設定した時間Ｔが経過した後、制御手段９を用いて上下移動手段４を制御して、研削砥石３４０をエスケープ速度Ｖ３で＋Ｚ方向に上昇させて、研削砥石３４０の下面３４０ａを被加工物Ｗの上面Ｗａである被研削面から離間させる。エスケープ速度Ｖ３は、例えば約０．３μｍ／ｓｅｃとする。
研削砥石３４０が、エスケープ速度Ｖ３で＋Ｚ方向に上昇しながら、被加工物Ｗの上面Ｗａの上方において空転することにより、エスケープカットが行われる。エスケープカット終了時、研削砥石３４０の下面３４０ａはエスケープカット終了位置Ｚ５に位置づけられる。
研削砥石３４０の下面３４０ａがエスケープカット終了位置Ｚ５に位置づけられているとき、研削荷重が解消されている。

上記のスパークアウト及びエスケープカットを行うことにより、被加工物Ｗの上面Ｗａが平坦化されるとともに、研削加工時に上面ハイトゲージ１０２の接触子と被加工物Ｗの上面Ｗａとの接触によって被加工物Ｗの上面Ｗａに生じた接触痕が除去される。

エスケープカット終了後、研削砥石３４０を上昇退避速度Ｖ４で＋Ｚ方向に上昇させて、被加工物Ｗの上面Ｗａから退避させる。上昇退避速度Ｖ４は、例えばＶ１～Ｖ３と比べて大きな速度であるとする。

図５及び図６に示すように、従来の研削加工では、被加工物Ｗの仕上げ研削を行った後、研削砥石３４０の昇降移動を停止させた状態で、スパークアウトを行い、その後、エスケープカットを行っていた。そのため、チャックテーブル２等が大きな研削荷重を受けている状態でエスケープカットを行う必要があり、エスケープカットに多くの時間がかかっていた。また、エスケープカット終了時においても、研削荷重によって沈み込んだ量Ｄのすべてが解消されておらず、研削加工が厚み精度を欠くものであった。
なお、研削荷重によって沈み込んだ量Ｄは、チャックテーブル２の沈み込みのみを示すものではなく、研削手段３に対してチャックテーブル２が沈み込んだ量を示している。つまり、研削荷重によって、チャックテーブル２には下方向の力がかかっており、研削手段３には上方向の力がかかっている。

それに対して、本研削装置による被加工物Ｗの研削加工では、スプリングバックを考慮して、研削砥石３４０を被加工物Ｗの上面Ｗａから離間させる際に、被加工物ＷからＺ軸方向に所定の高さ（図３におけるＺ４－Ｚ３）上昇させてから、研削砥石３４０の上昇を停止させて、回転する研削砥石３４０を被加工物Ｗの上面Ｗａである被研削面に接触させてスパークアウト研削を実施することにより、上面Ｗａを整えている。これにより、チャックテーブル２のスプリングバックがなくなってから、研削砥石３４０を被加工物Ｗから離間させることができ、被加工物Ｗの厚み精度を高精度に仕上げることができる。
また、スプリングバックを考慮して、研削砥石３４０を上昇させた位置においてスパークアウト研削を実施するため、研削時間を短縮することが可能である。

１：研削装置１０：ベース１１：コラム１２：内部ベース
１００：厚み測定手段１０１：上面ハイトゲージ１０２：保持面ハイトゲージ
１０３：筐体１０４：算出手段
２：チャックテーブル２０：吸引部２０ａ：保持面
２１：枠体２１ａ：枠体の上面
２２：基台２２ａ：基台の上面２２ｂ：基台の下面２４：回転手段
２５：回転軸２８：カバー２９：蛇腹
３：研削手段３０：スピンドル３１：ハウジング３２：スピンドルモータ
３３：マウント３４：研削ホイール３４０：研削砥石３４０ａ：研削砥石の下面
３４１：ホイール基台３５：回転軸
４：上下移動手段４０：ボールネジ４１：ガイドレール４２：Ｚ軸モータ
４３：昇降板４４：ホルダ４５：回転軸
５：水平移動手段５０：ボールネジ５１：ガイドレール５２：Ｙ軸モータ
５５：回転軸６：支持柱６Ａ：固定支持部６Ｂ：可動支持部
６１：筒部６１ａ：雌ネジ６１ｂ：筒部の底面６２：軸部６２ａ：雄ネジ
６２０：軸部の下部６２１：軸部の上部６３：モータ
７：スライダ７ａ：スライダの上面７０：穴
８：間隔測定器８０：筐体８１：投光部８２：受光部９：制御手段
Ｗ：被加工物Ｗａ：被加工物の上面Ｏ：保持面の中心
Ｄ：研削荷重によって沈み込んだ量Ｔ：予め設定したスパークアウト研削の時間
Ｚｏ：研削砥石の初期位置Ｚ１：エアーカット位置Ｚ２：粗研削終了位置
Ｚ３：仕上げ研削終了位置Ｚ４：チャックテーブルの下面とスライダの上面との間隔が予め設定した値になる研削砥石の下面の高さＺ５：エスケープカット終了位置
Ｖｏ：加工準備の下降速度Ｖ１：第１研削速度Ｖ２：第２研削速度
Ｖ３：エスケープ速度Ｖ４：上昇退避速度

Claims

保持面に被加工物を保持するチャックテーブルと、該チャックテーブルの下における該保持面の中心を中心とする円周上の等間隔な位置に配置される少なくとも１つが高さ調整可能である少なくとも３つの支持柱と、該支持柱を立設させるスライダと、該スライダを該保持面に平行な水平方向に移動させる水平移動手段と、研削砥石を環状に配置した研削ホイールを回転させて該チャックテーブルに保持された被加工物を該研削砥石を用いて研削する研削手段と、該保持面に垂直な上下方向に該研削手段を移動させる上下移動手段と、該保持面に保持された被加工物の厚みを測定する厚み測定手段と、を備える研削装置であって、
該チャックテーブルの下面と該スライダの上面との間隔を測定する間隔測定器と、
該研削砥石を徐々に下降させたことにより被加工物を所定の厚みに研削した該研削砥石を被加工物から離間させる際に、研削荷重を受けて小さくなった該間隔が、該研削荷重を小さくして研削荷重を受けていないときの該間隔に戻ろうとするスプリングバックによって予め設定した値になるときの該研削砥石の高さに研削砥石を上昇させ停止させた状態で予め設定した時間、該研削砥石の下面を該被加工物に接触させて該被加工物の被研削面を研削することと、該上下移動手段を用いて該予め設定した時間を経過した該研削砥石を上昇させて該研削砥石の下面を該被研削面から離間させることとを制御する制御手段と、
を備える、研削装置。