(57)【要約】【課題】  ナノ精度の高精密研削装置の提供。【解決手段】            磁気軸受と静圧水軸受により軸受けされる回転／直動可能な砥石軸１３、前記砥石軸を回転／直動させる回転／直動複合アクチュエータ１６，１８、前記砥石軸の移動距離を測定する位置測定手段８５、および、前記砥石軸１３を固定するコラム７を砥石軸方向に直線移動させる駆動手段９を備える研削ステージＴＳと、前記砥石軸に軸承される砥石１４の研削加工面に対して被研削物表面を直角方向に保持する回転保持具２０、および、静圧水軸受で軸受けされた前記回転保持具の主軸を回転駆動させる回転駆動手段を備えるワークステージＷＳ、とを供える研削装置１。【選択図】  図１
2010115756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気軸受と静圧水軸受により軸受けされる回転／直動可能な砥石軸、前記砥石軸を回転／直動させる回転／直動複合アクチュエータ、前記砥石軸の直線移動距離を測定する位置測定手段、および、前記砥石軸を固定するコラムを前記砥石軸方向に直線移動させる駆動手段を備える研削ステージと、
前記砥石軸に軸承される砥石の研削加工面に対し、被研削物表面を直角方向に保持する回転保持具、および、静圧水軸受で軸受けされた前記回転保持具の主軸を回転駆動させる回転駆動手段を備えるワークステージ、を供える研削装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気軸受と静圧水軸受により軸受けされる回転／直動可能な砥石軸と、この砥石軸に軸承される砥石に対し、直角方向に被研削物を保持する回転保持具を供える研削装置に関する。この研削装置は、半導体基板の溝切加工機、光学部品（レンズや光学部品金型）やセラミック製品表面の成形加工に適している。
【背景技術】
【０００２】
砥石を回転させるスピンドル装置と、ワークを保持するワーク保持手段と、これらスピンドル装置の砥石とワーク保持手段に保持されたワークとを相対的に移動させる送り手段とを備えた内面円筒研削装置であって、前記スピンドル装置は、砥石を先端に取付けたスピンドルを、静圧気体軸受と磁気軸受とが、互いに兼用部分が生じるように複合化された静圧磁気複合軸受を介して、スピンドル装置本体に回転自在に設置し、前記スピンドルは、ラジアル軸受とアキシャル軸受とを介してスピンドル装置本体に設置し、前記ラジアル軸受を前記静圧磁気複合軸受とし、かつ、前記スピンドルを回転駆動する駆動源と、スピンドルの変位を求める変位測定手段とを設けた内面円筒研削装置は知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、機械フレーム、前記機械フレーム上に設けたベースと、このベース上に設けられた第一セラミック製ガイドウエイ上を第一セラミック製スライドウエイがリニアモータ駆動により左右方向に直動する静圧水軸受直動ツールテーブル、前記静圧水軸受直動ツールテーブル上に設けた砥石台に、静圧水軸受で支持され複合アクチュエータにより回転および直動される砥石軸に平面研削砥石を回転自在に軸承させた砥石軸頭、前記機械フレーム上に設けたベースと、このベース上に前記第一セラミック製ガイドウエイに対してＬ字形状に設けられた第二セラミック製ガイドウエイ上を第二セラミック製スライドウエイがリニアモータ駆動により前後方向に直動する静圧水軸受直動ワークテーブル、および、前記静圧水軸受直動ワークテーブル上に設けたワーク主軸台に、静圧水軸受で水平方向に支持されアクチュエータにより回転駆動される主軸先端にワーク保持チャックテーブルを軸承させたワーク保持チャックを備える平面研削装置も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
一方、円盤状の研削砥石と、被研削物（ワークピース）の回転軸に対して前記研削砥石の砥石回転軸が直交し、さらに前記被研削物上で接する前記研削砥石の回転方向が被研削物の回転方向と平行となるように配置された状態で、前記研削砥石を被研削物の半径方向及び回転軸方向に駆動させ、複数の不連続な曲面で構成される軸対称な非球面形状レンズを研削加工させる図５に示す研削装置も知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００５】
さらに、被加工物の回転装置と、上記被加工物を加工する回転砥石を備えた砥石スピンドルと、上記砥石スピンドルの軸を円弧運動させる手段と、上記被加工物の回転軸と上記砥石スピンドルの円弧運動の中心軸間の距離を変化させる手段と、上記被加工物の回転角位置を検出する第１の検出器と、上記砥石スピンドルの円弧運動の角位置を検出する第２の検出器と、上記第１と第２の検出器で検出された二つの角位置信号に対応させて、予め蓄積手段に蓄積された制御データを読み出し、上記読み出された制御データに基づいて上記軸間距離を変化すべく構成した制御装置を有して構成したトーリック形状および非球面形状物体の加工装置において、上記被加工物の回転運動の中心軸の回転フレを検出する手段と、この検出された回転フレのデータを上記制御データへフィードバックし、上記軸間距離を変化させる手段を設けたことを特徴とするトーリック形状および非球面形状物体の加工装置も提案されている（例えば、特許文献４参照。）。
【０００６】
さらにまた、回転保持テーブルに保持された半導体基板表面にチップ切断ストリート(溝)を回転砥石により施削するダイシング装置も提案されている（例えば、特許文献５参照。）。
【０００７】
研削砥石軸の静圧水軸受部材（ブッシング）として、軸受部材の内周面に円周方向に適宜の間隔をあけて複数の静圧ポケットが列設され、静圧ポケット以外の区域にランドが設けられ、軸受け部材には給水孔および排水孔が形成され、給水孔は一端側が外部の給水手段に連通されるとともに他端側が静圧ポケットに開口し、排水孔は一端側がランドに適宜開口するとともに他端側が大氣の吸引を防止するように排水経路に接続された自己補償型静圧水軸受部材も提案されている（例えば、特許文献６参照。）。
【０００８】
さらに、磁気軸受と静圧空気軸受により軸受けされる回転／直動可能なツール軸の移動距離測定装置も提案されている（例えば、特許文献７参照。）。
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−２４８０５号公報
【特許文献２】特開２００８−１４９４３４号公報
【特許文献３】特開２０００−２３７９４２号公報
【特許文献４】特開２００１−１１３４５１号公報
【特許文献５】特開２００６−３０３３６７号公報
【特許文献６】米国特許第５，４８４，２０８号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００７／０２２２４０１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
砥石軸と被研削物とが直交して用いられる従来の溝加工装置や非球面レンズ研削加工装置においては、砥石軸の直進運動の駆動手段としてリニアモータやアクチュエータ、サーボモータ駆動ボールネジを備えるスライドウエイを利用していた。ナノ精密加工を施すためには、砥石の磨耗により研削加工中に砥石ドレッシング作業を行う必要があることもあった。本発明は、砥石軸と被研削物とが直交して用いられる従来のナノ精密研削装置において、砥石軸の直線方向の前後移動を遂行させる駆動手段を前記特許文献１および特許文献２に記載される磁気軸受による０．１〜１，０００μｍの移動と、砥石軸を固定する固定板のスライドウエイの移動手段による０．００１〜１，０００ｍｍの移動に分け、被研削物の砥石による切り込みナノ加工を前記駆動手段による微量の移動により行わせしめるとともに、砥石軸の軸受構造として静圧水軸受を採用し、環境に優しい研削装置の実現を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、磁気軸受と静圧水軸受により軸受けされる回転／直動可能な砥石軸、前記砥石軸を回転／直動させる回転／直動複合アクチュエータ、前記砥石軸の直線移動距離を測定する位置測定手段、および、前記砥石軸を固定するコラムを前記砥石軸方向に直線移動させる駆動手段を備える研削ステージと、
前記砥石軸に軸承される砥石の研削加工面に対し、被研削物表面を直角方向に保持する回転保持具、および、静圧水軸受で軸受けされた前記回転保持具の主軸を回転駆動させる回転駆動手段を備えるワークステージ、を供える研削装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１２】
砥石軸の直線方向の移動を遂行させる駆動を、磁気軸受による０．１〜１，０００μｍの移動による被研削物への精密研削加工と、砥石軸を固定する固定板のスライドウエイの移動手段による被研削物への接近および粗研削加工切り込みの０．００１〜１，０００ｍｍの移動に振り分けることにより、砥石の磨耗により生じる砥石寸法ミクロンオーダーの減少の位置補正を磁気軸受により補償できるので、研削加工された被研削物の寸法精度が向上する。また、砥石軸の軸受構造として静圧水軸受を採用することにより環境に優しい研削装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図を用いて本発明をさらに詳細に説明する。図１はロータリー研削装置の要部を示す斜視図、図２は研削ステージの側面断面図、図３はワークステージの正面断面図、図４はワークテーブルの主軸軸受けに用いたブッシングの斜視図、および、図５は非球面形状レンズ研削装置の斜視図(公知)である。
【００１４】
図１に示す精密研削装置１は、磁気軸受と静圧水軸受により軸受けされる回転／直動可能な砥石軸１３、砥石１４をこの砥石軸に軸承させた研削ヘッド１０、前記砥石軸の砥石軸方向の位置を測定する位置測定手段８５、前記砥石軸を固定する固定板６をコラム７に設けた案内ガイド８上をボールネジ９ａの回転駆動で昇降させる駆動手段９、および、このコラム７を搭載するツールテーブル８０をガイドウエイ８０ａ上に前記砥石軸方向の前後方向（Ｙ軸方向）に移動させる駆動手段８１，８２、砥石軸外周面と、ブッシング間の隙間距離を測定する変位センサープローブ８６，８６を備える研削ステージＴＳと、前記砥石軸に軸承される砥石１４に対し、直角方向に被研削物を保持する回転保持具であるポーラスセラミック製ロータリーチャックテーブル２１、および、前記ポーラスセラミック製ロータリーチャックテーブルの回転主軸を回転駆動させる回転駆動手段、およびロータリーテーブル機構２０を搭載するスライドウエイ９０、およびこのスライドウエイを前記ツールテーブル８０の移動方向に対して直交する方向（Ｘ軸方向）にガイドウエイ９１上を滑走させるリニアモータ９１，９２を具備するワークステージＷＳより構成される。
【００１５】
上記ロータリーチャックテーブル２１上に載置される被研削物表面と研削砥石１４の外周面とは、互いに直交するよう配置される。砥石１４と被研削物とが当接する面には研削液供給ノズル１４ａより研削液が供給される。砥石軸１３の回転数は、被研削物の種類により５００〜２０，０００ｒｐｍの範囲から選択できる。
【００１６】
また、前記コラム７を搭載するツールテーブル８０をガイドウエイ８０ａ上に滑走させる駆動手段８１，８２は、前述の特許文献２の図３に開示されている静圧水軸受けのスライドウエイをガイドウエイ上で移動させるリニアモータ手段が利用できる。
【００１７】
図２に示すように、研削ステージＴＳは、磁気軸受と静圧水軸受により軸受けされる回転／直動可能な砥石軸１３、前記砥石軸を回転／直動させる回転／直動複合アクチュエータ１６，１８、前記砥石軸１３の移動距離を測定する位置測定手段８５、および、前記砥石軸を固定する固定板を直線移動させる駆動手段を備える。
【００１８】
砥石軸１３は円筒状ハウジング１５により囲繞され、砥石軸１３の後方部は、静圧水ラジアル軸受される。円筒状ハウジング内壁には、水通路１５ｅが設けられ、給水口１５ａより水は水通路１５ｅへ供給される。円筒状ハウジング１５内壁と砥石軸１３外の間を流れて砥石軸１３を冷却した水は、バキューム吸引管１５ｂより排出される。基板研削終了後は、圧空供給口１５ｃより加圧空気が供給され水通路１５ｅ内に残留する冷却水および水滴をドレン管１５ｄより円筒状ハウジング１５外へ放出する構造としている。
【００１９】
砥石軸１３の中央部には、砥石軸１３を水平方向に回転させるビルトインモータ１６が設置され、ビルトインモータ１６は円筒状ハウジング１５に設けられた冷却液導入パイプ１５ｆより供給された冷却液が円筒状ハウジング１５内壁に設けられた冷却液流路１５ｈを通って排出管１５ｇへ導かれる。
【００２０】
前記ラジアル軸受される下方部室とビルトインモータ１６の冷却液室とは、リップシール１５ｊによりそれぞれの室に供給される液体が混合しないよう区画されている。
【００２１】
砥石軸１３の後方には、砥石軸１３の上端に設けられたボールターゲット１７の位置検出素子である位置センサ８５を搭載し、可動子（永久磁石）１８ａを固定した砥石軸１３を前後方向（ｙ軸方向）に０．１〜１，５００μｍ程度移動させるためのコイル１８ｂが設置されている。
【００２２】
前記ビルトインモータ１６で砥石軸１３の回転を、可動子１８ａとコイル１８ｂとの組み合わせのモータ１８で砥石軸１３の１．５ｍｍ以下のスラスト直動を行うことができ、これらモータ１６，１８を合わせて回転／直線複合アクチュエータと呼ぶ。
【００２３】
図３に示すように前記ワークチャックロータリーテーブル機構２０は、ポーラスセラミック製ロータリーチャックテーブル２１が中空スピンドル２２により軸承され、その中空スピンドル２２が静圧水軸受のセラミック製円筒状ブッシング２３により軸受けされており、前記ポーラスセラミック製ロータリーチャックテーブル２１の水平方向表面が前記砥石軸１３に軸承された砥石１４の外周面と直交するよう設けられている。中空スピンドル２２の下端はロータリージョイント２９により図示されていない真空ポンプ、コンプレッサ、純水供給ポンプに接続する３本の供給管に接続されている。３本の供給管には切り替え弁が取り付けられ、基板加工プロセスに応じてワークピース吸着時の減圧、基板をポーラスセラミック製ロータリーチャックテーブルより外すときの加圧、ポーラスセラミック製ロータリーチャックテーブルの洗浄時の加圧水供給時に切り替える。
【００２４】
図４は、ワークテーブルの中空スピンドル２２の静圧水軸受けに用いたブッシング２３の斜視図である。
【００２５】
図３に示すワークチャックロータリーテーブル機構２０は、ポーラスセラミック製ロータリーチャックテーブル２１を軸承する中空スピンドル２２が、内周壁に水通路２３ａが設けられた炭化珪素セラミック製円筒状ブッシング２３と、この円筒状ＳｉＣセラミック製ブッシュの水通路２３ａに水を供給する水供給口２４ａ、排水する減圧排出口２４ｂ、前記水通路２３ａに残存する水をドレン排出口２４ｄよりドレン抜きするために圧空を供給する圧空供給口２４ｃを有する円筒状ハウジング部材２４と、中空スピンドル２２の上方に設けたスラスト軸受２５ａおよび中空スピンドル２２の中央部に設けたラジアル軸受２５ｂと、前記中空スピンドル２２の下方部に設けた中空スピンドル回転駆動機構であるビルトインモータ２７、エンコーダ２８および中空スピンドル２２下端で連結されるロータリージョイント２９、ならびに、このロータリージョイント２９を介して前記中空スピンドル２２管内の流体を減圧する減圧機構である真空ポンプ、中空スピンドル管内を加圧する加圧気体供給機構であるコンプレッサおよび前記中空スピンドル２２管内に純水を供給する給水ポンプに接続される管２２ａ，２２ｂを備える。
【００２６】
上記中空スピンドル２２および円筒状ブッシュ２３の素材は、炭化珪素、窒化珪素、酸化珪素、アルミナ、ジルコニアなどのセラミックが好ましいが、従来のステンレスあるいはクロムメッキ鋼製スピンドル表面をセラミック化学蒸着で１００〜５００μｍ厚コーティングしたものでもよい。
【００２７】
前記スラスト軸受２５ａの水通路には、８箇所設けられている純水供給ノズル２５ａ１より純水が供給され、排出管２５ａ２より排水する。ラジアル軸受２５ｂの水通路２３ａには、前記水供給口２４ａより水が給水され、減圧排出口２４ｂより排水される。ビルトインモータ２７の冷却水は、給水口２６ａより給水され、排出口２６ｂより排水される。
【００２８】
被研削物は、ポーラスセラミック製ロータリーチャックテーブル２１上に載置され、真空ポンプを稼動させてワークピースをポーラスセラミック製テーブル２１上に位置固定し、ついで、ビルトインモータ２７で中空スピンドル２２を水平方向に回転させる。中空スピンドル２２の回転数は１０〜５００ｒｐｍまで可能で、半導体基板や光学部品研削時は、５０〜２００ｒｐｍが一般的である。
【００２９】
図１に示すロータリー研削装置１を用いてガラス材（被研削物）を軸対称非球面研削加工する工程を以下に説明する。
【００３０】
１）ポーラスセラミック製ロータリーチャックテーブル２１上に被研削物を載せ、バキューム吸着して被研削物を固定させる。
【００３１】
２）ロータリーテーブル機構２０を搭載するスライドウエイ９０をリニアモータ９１，９２により左右方向に移動させ、ポーラスセラミック製ロータリーチャックテーブル２１を研削開始位置へ移動させる。
【００３２】
３）ビルトインモータ２７を駆動して中空スピンドル２２を２００ｒｐｍの回転数で回転させる。
【００３３】
４）コラム７を搭載するツールテーブツ８０をリニアモータ８１，８２駆動により前進させ、砥石軸１３に回転自在に固定された砥石１４がポーラスセラミック製ロータリーチャックテーブル２１上の所定位置となる砥石軸研削開始位置に移動させる。
【００３４】
５）レジノイドダイヤモンド砥石１４を備える砥石軸１３をビルトインモータ１６で２００ｒｐｍの回転数で回転させる。
【００３５】
６）サーボモータ９を駆動させて砥石軸に軸承された回転砥石１４を被研削物に当接させて切り込み開始する。
【００３６】
７）以下、ロータリー研削装置１の数値制御装置により移動を管理される砥石軸昇降（Ｚ軸方向）サーボモータ９、砥石軸１３前後（Ｙ軸方向）移動駆動手段８１，８２、および、ポーラスセラミック製テーブル２１の左右方向（Ｘ軸方向）移動手段９１，９２を利用し、砥石１４と被研削物の相対的な移動により被研削物の研削加工を行う。研削加工の際、供給ノズル１４ａより研削液が砥石外周面と被研削物表面間に供給され、砥石と被研削物を冷却する。
【００３７】
８）研削加工中、砥石のＹ軸−リニアースケール位置のパルス信号を受けて発信された砥石１４のＹ−軸位置数値と、位置センサ８５から発信される砥石１４のＹ−軸位置数値間に誤差があるときは、その誤差数値を補償するよう磁気軸受の可動子１８ａを固定した砥石軸１３をコイル１８ｂにより移動させる。
【００３８】
９）被研削物の研削加工終了後は、固定板６昇降機構のボールネジ９ａをサーボモータ９駆動で上昇させることにより研削ヘッド１０を上方へ後退させて被研削物より遠ざけ、ついで、砥石軸の回転を停止させた後、ツールテーブル８０を待機位置まで戻す。
【００３９】
１０）一方、被研削物の研削加工終了後、ロータリーテーブル機構２０を搭載するスライドウエイ９０をリニアモータ９１，９２により左右方向に移動させ、ポーラスセラミック製ロータリーチャックテーブル２１を待機位置まで戻す。
【００４０】
１１）ポーラスセラミック製テーブル２１を軸承する中空スピンドル２２の減圧を停止し、ついで、中空スピンドル２２内に加圧水を供給してポーラスセラミック製テーブル２１より被研削物の取り剥がしを容易とし、被研削物を保管トレイへ搬送する。
【００４１】
なお、砥石の磨耗を回復するドレッシング作業は、研削開始前、または、研削終了後に行うことでよい。
【００４２】
上記研削装置は、砥石軸１３が横軸（Ｙ軸）でワーク軸が縦軸（Ｚ軸）の例であるが、本発明の別の態様として図５に示す研削装置のように、砥石軸１３が縦軸（Ｚ軸）でワーク軸が横軸（Ｙ軸）となるよう設計することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の精密研削装置１は、砥石軸１３の直線方向の移動を磁気軸受による微量の移動と、サーボモータ、アクチュエータ、リニアモータ等のより大きい量の移動を併用できるので、砥石の磨耗があっても磁気軸受による砥石軸の微量の移動で補償できるので、研削途中での砥石のドレッシング作業は不要であり、より寸法精度の高い被研削加工品を得ることができる。また、研削加工現場のツールスピンドル、ワークスピンドルの軸受を静圧水軸受としたことにより環境に優しい研削装置となった。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のロータリー研削装置の要部を示す斜視図である。
【図２】研削ステージの側面断面図である。
【図３】ワークステージの正面断面図である。
【図４】ワークテーブルの主軸軸受けに用いたブッシングの斜視図である。
【図５】非球面形状レンズ研削装置の斜視図(公知)である。
【符号の説明】
【００４５】
１    研削装置
ＴＳ  ツールステージ
６    砥石軸固定板
９    サーボモータ
１０  研削ヘッド
１３  砥石軸
１４  砥石
１５  円筒状ハウジング
１６，１８  回転／直動複合アクチュエータ
ＷＳ  ワークステージ
２０  ワークチャックロータリーテーブル機構
２１  ポーラスセラミック製ロータリーチャックテーブル
２２  中空スピンドル
２３  セラミック製円筒状ブッシング
２４  円筒状ハウジング部材
２５ａ  スラスト軸受
２５ｂ  ラジアル軸受
２３ａ，２５ａ  水通路
２７  ビルトインモータ
２８  エンコーダ
２９  ロータリージョイント
８０  ツールテーブル
９０  スライドウエイ
【図１】
2010115756.tif 000003
【図２】
2010115756.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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