TW201416176A - 研削加工裝置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明是提供一種，即使在機構內需要產生彈性變形這樣的加工力時，也可以高精度地研削工件的技術。進給手段，其係在進給方向可動地支承磨石與工件的任一方或兩方，而使工件與磨石在研削加工時接近、接觸、以及分離。加工力檢出手段，是檢出作為藉由進給手段將磨石壓抵在工件的力的加工力。位置檢出手段，其係檢出相對於工件的安裝位置磨石位在進給方向的位置的磨石位置。控制手段，其係以預定的比率合成將由位置檢出手段所檢出的磨石位置控制在期望位置的定位控制的控制量、與將由加工力檢出手段所檢出的加工力控制在期望加工力的加工力控制的控制量並予以執行。

Description

研削加工裝置及其控制方法

本發明是關於藉由磨石研削工件的研削加工裝置的控制。

藉由磨石將工件(被加工物)的表面研削呈平面的研削加工裝置。這種的研削加工裝置，是使工件的旋轉中心線與磨石的旋轉中心線成平行而使工件的被研削面與磨石的研削面成為平行，一面分別使其旋轉一面藉由進給機構使工件與磨石接觸，藉此將工件的被研削面研削呈平面。

例如，記載於專利文獻1的研削加工裝置中，設置調整工件的旋轉中心軸用的機構、以及調整磨石的旋轉中心軸用的機構，而可高精度地調整工件的被研削面與磨石的研削面的平行度，並可進行高精度的研削。

[先行技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特許第3978002號公報

然而，如藍寶石這類若不用大的加工力壓抵的磨石會有不能進行研削的情況。這樣的時候，將磨石壓抵在工件時，因工件可動機構、磨石可動機構等研削加工裝置的機構彈性變形，而成為不能獲得充分的加工力的狀態。因此，欲藉由位置控制將工件的厚度研削到期望的厚度時，雖然有進給，可是其進給距離的大部分浪費在彈性變形上，可能會有加工力不足，研削沒有進展的情況。

又，因彈性變形，使工件的被研削面與磨石的研削面變成不平行，或磨石的研削面與工件的被研削面朝接觸面內方向互相偏移時，在工件的中心部與外緣部產生不均衡，而有損以GBIR(Global Back Ideal Range)等所評價的工件的表面形狀的平坦性。假設也有這樣的彈性變形，具有工件可動機構、磨石可動機構而設成可調整，可是加工力改變造成的彈性變形量的變化，成為每次加工使GBIR的值改變的要因。

本發明的目的是提供一種，即使在研削加工裝置的機構內需要產生彈性變形這樣的加工力時，也可以高精度地研削工件的技術。

本發明的一態樣所為的研削加工裝置，係一 面使磨石與工件相對旋轉一面接觸藉此將前述工件的被研削面研削成平面之研削加工裝置，其中，具有：進給手段，其係在進給方向可動地支承前述磨石與前述工件的任一方或兩方，而使前述工件與前述磨石接近、接觸、以及分離；加工力檢出手段，其係檢出作為藉由前述進給手段將前述磨石壓抵在前述工件的力的加工力；位置檢出手段，其係檢出相對於前述工件的安裝位置前述磨石位在前述進給方向的位置的磨石位置；以及控制手段，其係以預定的比率合成將由前述位置檢出手段所檢出的前述磨石位置控制在期望位置的定位控制的控制量、與將由前述加工力檢出手段所檢出的前述加工力控制在期望加工力的加工力控制的控制量並予以執行。

根據本發明，即使在機構內需要產生彈性變形這樣的加工力時，藉由適當控制定位控制與加工力控制，成為可高精度地研削工件。

11‧‧‧磨石

12‧‧‧工件

13‧‧‧夾頭

13‧‧‧基座

14‧‧‧磨石進給機構

14a‧‧‧固定部

14b‧‧‧可動部

15‧‧‧磨石旋轉機構

16‧‧‧工件旋轉機構

17‧‧‧工件支承機構

18‧‧‧基座

31‧‧‧控制部

32‧‧‧處理部

33‧‧‧增益設定部

34‧‧‧增益設定部

35‧‧‧馬達

36‧‧‧電流感測器

37‧‧‧位置感測器

[圖1]表示本實施形態所為的研削加工裝置的概略的研削構造的圖。

[圖2]說明磨石11與工件12的關係用的圖。

[圖3]表示關於研削加工裝置的控制的方塊圖。

[圖4]說明關於本實施形態的研削加工的加工模式用的圖。

[圖5]說明關於研削加工時的磨石11與工件12的相對位置關係用的圖。

[實施發明用的形態]

參照圖面針對本發明的實施形態進行說明。

圖1表示本實施形態所為的研削加工裝置的概略的研削構造的圖。本實施形態的研削加工裝置，是以固定工件，使磨石朝向其工件的方向移動，使其接觸藉此研削工件的被加工面的裝置作為一例。

參照圖1時，研削加工裝置是在成為研削加工裝置的研削構造的共同的基台的基座18上配設磨石進給機構14與工件支承機構17。

磨石進給機構14包含有：被固定在基座18的固定部14a；以及相對於固定部14a可在進給方向100往復移動的可動部14b。進給方向是讓磨石11與工件12接近、接觸、分離的方向，圖中為橫向(水平方向)。

在磨石進給機構14的可動部14b安裝有磨石旋轉機構15。當可動部14b朝進給方向100移動時，磨石旋轉機構15也與這個一起朝進給方向100移動。藉此，在研削加工時，工件12與磨石11接近、接觸、及分離。磨石旋轉機構15是在藉由馬達驅動進行旋轉的旋轉 軸的前端安裝有磨石11，藉由馬達的旋轉使磨石11旋轉。

工件支承機構17相對於基座18被固定，在工件支承機構17安裝有工件旋轉機構16。工件旋轉機構16是在藉由馬達驅動旋轉的旋轉軸的前端具有夾頭13。工件12是安裝在其夾頭13的工件安裝面，又可卸下。亦即，夾頭13是利用真空泵產生的負壓將工件12吸附在工件安裝面，又可解除其吸附。

上述的構成所為的研削加工裝置中，磨石旋轉機構15使磨石11旋轉，工件旋轉機構16使工件12旋轉的狀態下，磨石進給機構14在進給方向100使磨石11接近工件12地移動並接觸，藉此利用磨石11研削工件12。

圖2是說明磨石11與工件12的關係用的圖。

被安裝在磨石旋轉機構15的磨石11、與被安裝在夾頭13的工件12是以互相的旋轉軸錯開的狀態平行相向。磨石11的外緣被定位呈與工件12的中心(旋轉軸)21大致一致。在研削加工時，磨石11與工件12一面互相朝相反方向旋轉，一面以期望加工力推壓而接觸。這裡所謂的加工力，是將磨石11壓抵在工件12的力。

圖3是表示關於研削加工裝置的控制的構成的方塊圖。參照圖3時，研削加工裝置具有：電流感測器36、位置感測器37、及控制部31。

電流感測器36位在磨石進給機構14內，檢知流到磨石進給機構14的馬達35的電流，並將其值通知控制部31。在馬達35流的電流的值，是等效於將磨石11壓抵在工件12的加工力。在本實施形態，是使用在馬達35流的電流的值作為將磨石11壓抵在工件12的加工力來作為一例。

位置感測器37是由複數個位置感測器群所構成，例如檢知磨石11的研削面的位置(磨石位置)與夾頭13的工件安裝面的位置，並將這些通知控制部31。或者，位置感測器37，是以磨石11的研削面的位置與夾頭13的工件安裝面的位置的差作為工件12的厚度，通知控制部31。亦即，將相對於工件12的安裝位置的磨石11的研削面的位置情報通知給控制部31。只要在研削加工中工件12的被研削面的位置與磨石11的研削面的位置大致一致，即等效。工件12的安裝位置，是藉由研削工件12不改變的工件12的預定的位置，或保持工件12的夾頭13的預定的位置。例如，可將夾頭13的工件安裝面的位置作為工件12的安裝位置。

控制部31，係以預定的比率(以下稱之為「控制比」)合成將由位置感測器37所通知的磨石11的研削面的位置控制在期望位置的定位控制的控制量、與將由電流感測器36所檢出的電流值所示的加工力控制在期望加工力的加工力控制的控制量並予以執行。具體而言，是合成由電流感測器36所檢出的電流(相當於加工力) 與期望加工力的差；以及由位置感測器37所檢出的位置與期望位置的差進行反饋的反饋控制者。由電流感測器36所檢出的電流與期望加工力的差、以及由位置感測器37所檢出的位置與期望位置的差在這裡稱為控制量。使增益設定部33中的定位控制的反饋增益、與增益設定部34中的加工力控制的反饋增益的兩方或一方改變，再加以適當地設定，藉此可設定控制比。

如上述，工件12為藍寶石這類的材料時，若不用大的加工力壓抵磨石11會有不能研削的情況。用大的加工力將磨石11壓抵在工件12時，工件支承機構17、磨石進給機構14等研削加工裝置的機構彈性變形。然而，在本實施形態，併用定位控制與加工力控制，且可將該等的控制比設定在適當的值。因此，即使在機構需要產生彈性變形這樣的加工力時，適當地控制定位控制與加工力控制，藉此抑制研削沒有進展、或過度研削的情況，而可高精度地研削工件12。

圖4是說明關於本實施形態的研削加工的加工模式用的圖。加工模式是表示磨石11的位置與加工速度的關係的情報，並預先加以設定。參照圖4時，表示與時間的經過一起進展的工件12的厚度(虛線)、與磨石進給機構14的機械位置(實線)。機械位置除了是磨石11的移動量之外，機構的彈性變形量也是產生移動的部位的位置。例如，若在磨石進給機構14的固定部14a具有驅動可動部14b的驅動機構時，則在其驅動機構的移動 量中含有可動部14、磨石旋轉機構15、磨石11等的彈性變形量。

圖4的加工模式中，在研削加工的前半，以粗加工(第1工程)來說，每單位時間的進展距離亦即加工速度用快速的加工進行效率佳的研削，在後半，以精加工(第2工程)來說，是減緩加工速度提昇定位的精度及研削面的平面的精度。

在本實施形態，控制部31也可例如預先設定圖4這樣的加工模式來表示研削加工時對於工件12的磨石11的位置與加工速度的關係。此時，控制部31依據加工模式控制磨石進給機構14時，也可配合依據其加工模式的研削加工的工程的進行使定位控制與加工力控制的比率改變。依據加工模式，根據研削加工的各階段使加工速度改變時，也可以期望的精度進行各工程中的加工。

例如，給予加工模式的處理部32只要按照時間的經過設定期望位置與期望加工力(圖3中作為一例的扭距)，並且隨著其加工模式的進行，在增益設定部33、34設定適當的反饋增益即可。

例如，因為在粗加工時進行晶圓的基本的形狀的加工(影響GBIR的加工)，所以進行加工力控制，並盡可能地將加工力保持在一定。在精加工時，為了降低表面的特質(粗度)而優先進給速度，並以緩慢的進給速度進行加工。如此，進行適合研削加工的各階段的加工，可提高效率、精度。

圖5是說明關於研削加工時的磨石11與工件12的相對位置關係用的圖。工件12的被研削面的平面度，由其是GBIR會受到研削加工時的磨石11與工件12的相對性的位置關係的影響。

磨石11的研削面與工件12的被研削面不平行時，工件12的被研削面中在中央附近與外緣附近會產生厚度差。尤其，施加預定的加工力來研削工件12時由於在研削加工裝置的機構彈性變形產生，所以沒有施加加工力時，磨石11與工件12的相對位置關係，尤其相對的角度可能會有不同。

於此，在本實施形態，如圖5所示，施加研削加工時的預定的加工力的狀態下，預先調整磨石11與工件12的相對的角度關係，使磨石11的研削面與工件12的被研削面成平行。在被調整的加工力，可使磨石11以適當的相對的角度關係接觸磨石12，且高精度的加工成為可能。實際的裝置作為調整機構是構成在各式各樣的地方可進行調整。例如，也可藉由位在被配置在基座18上的磨石進給機構14的調整機構調整磨石進給機構15的旋轉軸的角度，也可藉由位在磨石進給機構15的調整機構調整其旋轉軸的角度。又，也可藉由位在工件支承機構17的調整機構調整磨石進給機構16的旋轉軸的角度，也可藉由位在磨石進給機構15的調整機構調整其旋轉軸的角度。再者，也可調整磨石旋轉機構15的旋轉軸的角度、與工件旋轉機構16的旋轉軸的角度的兩方。

又，也可預先調整磨石11與工件12的接觸面的相對的位置。具體而言，調整成施加預定的加工力時磨石11的緣與工件12的被研削面的中心21一致。

此外，在本實施形態，使用測量流到馬達的電流的電流感測器36作為檢出加工力的手段。然而，本發明並不限定於此，可從各個地方直接或間接地檢出加工力。

例如，也可以作用在使工件12旋轉的工件旋轉機構16的旋轉軸的構件、或是使磨石11旋轉的磨石旋轉機構15的旋轉軸的構件的力作為加工力進行測量。在工件12與磨石11沒有接觸時、與接觸時，作用在成為工件旋轉機構16、磨石旋轉機構15的旋轉軸的構件的力改變。又，作用在其旋轉軸的構件的力是依照加工力而改變。因此，將作用在旋轉軸的構件的力與加工力的關係預先設定成已知的情報，藉此可從作用在旋轉軸的構件的力間接求取加工力。作用在旋轉軸的構件的力與加工力的關係是藉由數學式或表來設定即可。

又，測量施加在支承使工件12旋轉的旋轉軸的構件的構造物、或支承使磨石11旋轉的磨石軸的構件的構造物的力，並依據測量值判斷加工力亦可。以支承使工件12旋轉的旋轉軸的構造物來說，有可旋轉地支承旋轉軸且位在工件旋轉機構16中不旋轉之側的構成零件。又，以支承使磨石11旋轉的旋轉軸的構造物來說，有可旋轉地支承旋轉軸且位在磨石旋轉機構15中不旋轉之側 的構成零件。將施加在構造物的力與加工力的關係作為已知的情報加以預先設定，藉此可從施加在構造物的力間接求取加工力。又同樣地，也可測量以支承使工件12旋轉的旋轉軸的構造物的預定部位的基座18為基準的位移、或以使磨石11旋轉的旋轉軸的基座18為基準的位移，並依據測量值間接性地判斷加工力。又同樣地，也可藉由應變規測量上述構造物、旋轉軸的歪扭，並依據測量值間接性地判斷加工力。

又，磨石進給機構14也可是具有藉由滾珠螺桿使磨石11朝向進給方向移動的進給機構的構造。此時，也可測量驅動進給機構的滾珠螺桿的扭距，並依據測量值間接性地判斷加工力。將扭距與加工力的關係作為已知的情報加以預先設定，藉此可從扭距間接求取加工力。

又，利用磨石旋轉機構15使磨石11旋轉，利用工件旋轉機構16使工件12旋轉的狀態下，使磨石11與工件12接觸時，依據工件12與磨石11互相推擠的加工力產生的旋轉方向的力，使各自的旋轉數下降。亦即，加工力變大時，相對於流到磨石旋轉機構15、工件旋轉機構16的馬達的電流，磨石11、工件12的旋轉數的比率下降。因此，將對於電流的旋轉數的比例、與加工力的關係作為已知的情報加以預先設定，藉此可從對於電流的旋轉數的比率間接求取加工力。

例如，磨石旋轉機構15也可是藉由被施加的電壓所驅動的馬達使磨石11旋轉的機構，工件旋轉機構 16也可是藉由被施加的電壓所驅動的馬達使工件12旋轉的機構。此時，也可依據流到磨石旋轉機構15與工件旋轉機構16的兩方或一方的馬達的電流與旋轉數算出加工力。使用磨石旋轉機構15與工件旋轉機構16的兩方目的為降低誤差，且即使使用任一方也可算出加工力。亦即，可從流到磨石旋轉機構15中的馬達的電流與磨石11的旋轉數算出加工力。同樣，可從流到工件旋轉機構16中的馬達的電流、與工件12的旋轉數算出加工力。再者，以流到磨石旋轉機構15中的馬達的電流與磨石11的旋轉數以及驅動工件旋轉機構16用的馬達電流與工件12的旋轉數作為參數，可用更高的精度算出加工力。以具體的運算例子來說，也可使用從磨石旋轉機構15側的數據所算出的加工力、以及從工件旋轉機構16側的數據所算出的加工力的平均值。

一般化來說，以磨石旋轉機構15的馬達電流作為IG，以工件旋轉機構16的馬達電流為IW，以磨石11的旋轉數為NG，以工件12的旋轉數為NW時，加工力FWB可以參數IG、IW、NG；以及NW函數f(IG、IW、NG、NW)表示。

此外，在本實施形態，將定位控制與加工力控制合成呈1個反饋控制機構，並藉由其反饋控制機構調整控制比的構成，可是本發明並不限定於此。以其他例來說，也可個別設定定位機構與加工力控制機構。例如，在反饋期望位置與被加工面的位置的差量進行定位控制的定 位機構，也可採用串聯附加由將電壓轉換成力的壓電元件(piezoelectric element)等所構成的加工力控制機構的控制構造。此時，調整定位機構的反饋增益、與對壓電元件的輸入電壓，藉此可調整定位控制與加工力控制的控制比。

又，在本實施形態，雖例示研削工件12的期間經常將加工力控制在期望的加工力，可是本發明並不限定於此。以其他例子來說，控制部31也可僅在從複數個工程形成的加工模式的特定的工程的期間，將定位控制與加工力控制的控制比控制在預定的比率。此時，控制部31也可在這以外的工程僅實施定位控制、或僅實施加工力控制，或者雖可併用定位控制與加工力控制，可是也可不進行將其控制比調整成特定的比率的控制。

又，在本實施形態，所表示依據加工模式使加工速度改變，並依照加工模式的進行使加工力改變的例子，可是本發明並不限定於此，只要將定位控制與加工力控制調整成預定的控制比即可。例如，控制部31也可針對加工力控制成一定的期望加工力，並藉由定位控制調整控制比。

又，在本實施形態，雖表示採用固定研削工件12，使磨石11移動的構造作為例子，可是本發明並不限定於此。以其他的例子來說，也可是相對於基座13固定磨石11的位置，藉由進給機構使工件12朝向磨石11移動者。再者，也可在工件12與磨石11的兩方設置進給 機構，藉由該等的進給機構使工件12與磨石11相對移動者。

又，在本實施形態，雖例示使磨石11移動的進給方向為朝向橫向(水平方向)延伸的裝置構造，可是本發明與這個不同，進給方向也可朝縱向(垂直方向)延伸。例如，即使是在下側具備固定磨石11的機構f，在上側具備可在上下移動的機構的構造，也可適用本發明，且可獲的同樣的效果。

31‧‧‧控制部

32‧‧‧處理部

33‧‧‧增益設定部

34‧‧‧增益設定部

35‧‧‧馬達

36‧‧‧電流感測器

37‧‧‧位置感測器

14‧‧‧磨石進給機構

Claims (12)

1. 一種研削加工裝置，係一面使磨石與工件相對旋轉一面接觸藉此將前述工件的被研削面研削成平面之研削加工裝置，其中，具有：進給手段，其係在進給方向可動地支承前述磨石與前述工件的任一方或兩方，而使前述工件與前述磨石接近、接觸、以及分離；加工力檢出手段，其係檢出作為藉由前述進給手段將前述磨石壓抵在前述工件的力的加工力；位置檢出手段，其係檢出相對於前述工件的安裝位置前述磨石位在前述進給方向的位置的磨石位置；以及控制手段，其係以預定的比率合成將由前述位置檢出手段所檢出的前述磨石位置控制在期望位置的定位控制的控制量、與將由前述加工力檢出手段所檢出的前述加工力控制在期望加工力的加工力控制的控制量並予以執行。
2. 如申請專利範圍第1項記載的研削加工裝置，其中，前述控制手段是預先設定表示前述研削加工時的磨石位置與加工速度的關係的加工模式，依據前述加工模式控制前述進給手段時，配合依據前述加工模式的研削加工的進行，使前述定位控制的控制量與前述加工力控制的控制量的比率改變。
3. 如申請專利範圍第2項記載的研削加工裝置，其中，前述加工模式包含：以預定的第1加工速度進行研削的第1工程；以及以比前述第1加工速度慢的第2加工速 度進行研削的第2工程，前述控制手段在前述第2工程設定成與前述第1工程相比，提高前述定位控制的比率，降低前述加工力控制的比率。
4. 如申請專利範圍第2項記載的研削加工裝置，其中，前述控制手段，是合成以前述加工力檢出手段所檢出的前述加工力與前述期望加工力的差；以及以前述位置檢出手段所檢出的前述磨石位置與前述期望位置的差，進行反饋的反饋控制者，使前述加工力的反饋增益與前述磨石位置的反饋增益的兩方或一方改變，藉此使前述定位控制與前述加工力控制的比率改變。
5. 如申請專利範圍第1項記載的研削加工裝置，其中，前述控制手段是將前述加工力控制在一定的前述期望加工力。
6. 如申請專利範圍第1項記載的研削加工裝置，其中，更進一步具有調整手段，其係當前述加工力為前述期望加工力時，調整前述磨石與前述工件的相對的角度關係，使前述磨石的研削面與前述工件的被研削面成平行。
7. 如申請專利範圍第1項記載的研削加工裝置，其中，前述加工力檢出手段，是以作用在使前述工件旋轉的旋轉軸的構件或使前述磨石旋轉的旋轉軸的構件的力作為前述加工力進行測量。
8. 如申請專利範圍第1項記載的研削加工裝置，其中，前述加工力檢出手段，是測量施加在支承使前述工件 旋轉的旋轉軸的構件的構造物或支承使前述磨石旋轉的旋轉軸的構件的構造物的力，並依據測量值間接性地判斷前述加工力。
9. 如申請專利範圍第1項記載的研削加工裝置，其中，前述加工力檢出手段，是測量支承使前述工件旋轉的旋轉軸的構件的構造物或使前述磨石旋轉的旋轉軸的構件的預定部分的位移，並依據測量值間接性地判斷前述加工力。
10. 如申請專利範圍第1項記載的研削加工裝置，其中，前述進給手段具有利用滾珠螺桿使前述工件或前述磨石朝向前述進給方向移動的進給機構，前述加工力檢出手段，是測量驅動前述進給機構的滾珠螺桿的扭距，並依據測量值間接性地判斷前述加工力。
11. 如申請專利範圍第1項記載的研削加工裝置，其中，更進一步具有：利用所輸入的電流被驅動而使前述磨石旋轉的磨石旋轉機構；以及利用所輸入的電流被驅動而使前述工件旋轉的工件旋轉機構，前述加工力檢出手段，是依據前述磨石旋轉機構和前述工件旋轉機構的兩方或一方的前述電流與旋轉數算出前述加工力。
12. 一種研削加工裝置的控制方法，係具有進給手段，其係在進給方向可動地支承磨石與工件的任一方或兩方，而使前述工件與前述磨石接近、接觸、及分離，使前述磨石與前述工件一面相對旋轉一面接觸，藉此將前述工 件的被研削面研削成平面之研削加工裝置的控制方法，其中，檢出作為藉由前述進給手段將前述磨石壓抵在前述工件的力的加工力，檢出相對於前述工件的安裝位置的前述磨石位在前述進給方向的位置的磨石位置，以預定的比率合成將所檢出的前述磨石位置控制在期望位置的定位控制的控制量、與將所檢出的前述加工力控制在期望加工力的加工力控制的控制量並予以執行。