(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円盤状の台金上に複数の超砥粒層を固着してなる平面ホーニング加工用超砥粒ホイールにおいて、前記超砥粒層は幅が１０ｍｍ以下の短冊状であり、前記円盤状台金に放射状に複数備えられてなり、かつ前記超砥粒層が前記円盤状台金の中心をとおる半径に対してプラス１５度からマイナス１５度以内の角度範囲で交差されていることを特徴とする平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
【請求項２】
超砥粒層間には、超砥粒層と異なる材料からなる間隙材が介在されたことを特徴とする請求項１記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
【請求項３】
超砥粒層の結合材は、気泡を均一に分散、含有していることを特徴とする請求項１記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
【請求項４】
超砥粒層と間隙材との高さの差が０．０５〜１．５ｍｍであることを特徴とする請求項２記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
【請求項５】
超砥粒層は、断面形状が台形であることを特徴とする請求項１記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
【請求項６】
間隙材は、その内部に気泡を均一に分散してなることを特徴とする請求項２記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
【請求項７】
間隙材は、その内部に中空のセラミック球を混合・分散してなることを特徴とする請求項２記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
【請求項８】
セラミック球は、その硬さが超砥粒層の結合材及び被加工物の硬さよりも小さいことを特徴とする請求項７記載の超砥粒ホイール。
【請求項９】
間隙材は、その硬さが超砥粒層の結合材の硬さよりも小さいことを特徴とする請求項２記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
【請求項１０】
間隙材は、ウレタンアクリレート系の樹脂であることを特徴とする請求項２記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
【請求項１１】
間隙材は、層状の積層体であることを特徴とする請求項２記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
【請求項１２】
円盤状の台金に複数の超砥粒層を固着した回転自在な平面ホーニング加工用超砥粒ホイールと、この超砥粒ホイールの上方に被加工物を回転自在に保持する保持部を有し、前記超砥粒ホイールと前記被加工物とを接触させて研削する研削装置であって、前記超砥粒ホイールは、超砥粒層の幅が１０ｍｍ以下の短冊状であり、前記円盤状台金に放射状に複数備えられており、かつ前記超砥粒層が前記円盤状台金の中心を通る半径に対してプラス１５度からマイナス１５度の角度範囲で交差されていることを特徴とする研削装置。
【請求項１３】
台金は回転台に固定され、この回転台の回転速度が毎分１００回転以上であることを特徴とする請求項１２記載の研削装置。
【請求項１４】
円盤状の台金の表面に放射状に複数の超砥粒層と、この超砥粒層の間に間隙材を形成し、遊離砥粒により前記超砥粒層と間隙材を荒らすことにより、前記超砥粒層と間隙材の高さの差を０．０５〜１．５ｍｍに加工する平面ホーニング加工用超砥粒ホイールのドレス方法であって、
前記超砥粒層は幅が１０ｍｍ以下の短冊状であり、前記円盤状台金に放射状に複数備えられてなり、かつ前記超砥粒層が前記円盤状台金の中心をとおる半径に対してプラス１５度からマイナス１５度以内の角度範囲で交差されていることを特徴とする平面ホーニング加工用超砥粒ホイールのドレス方法。
【請求項１５】
円盤状の台金の表面に放射状に複数の超砥粒層とこの超砥粒層の間に間隙材を形成し、化学的あるいは電気的手段を用いて前記超砥粒層と間隙材の高さの差を０．０５〜１．５ｍｍに加工する平面ホーニング加工用超砥粒ホイールのドレス方法であって、
前記超砥粒層は幅が１０ｍｍ以下の短冊状であり、前記円盤状台金に放射状に複数備えられてなり、かつ前記超砥粒層が前記円盤状台金の中心をとおる半径に対してプラス１５度からマイナス１５度以内の角度範囲で交差されていることを特徴とする平面ホーニング加工用超砥粒ホイールのドレス方法。
【請求項１６】
化学的手段を用いて超砥粒層と間隙材の高さの差を０．０５〜１．５ｍｍに加工してなる工程は、アルカリ性研削液を用いることにより被加工物を加工するのと同時に実施することを特徴とする請求項１５記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイールのドレス方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面ホーニング加工用の超砥粒ホイールとそのドレス方法ならびに同ホイールを使用する研削装置に関する。詳しくは、高周速で回転させても、被加工物との間に発生する動圧を分散させ低く抑えることにより、高速で形状精度の高い加工が可能な平面ホーニング加工用超砥粒ホイールとそのドレス方法ならびに同ホイールを使用する研削装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンドおよび立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）のいわゆる超砥粒を用いた平面ホーニング加工用超砥粒ホイールは公知である。特開平１０−５８３３１号公報には、超砥粒とグリーンカボランダム（ＧＣ）、ホワイトアランダム（ＷＡ）等の従来の砥粒との組み合わせに係わるホイールが開示されている。この他にも台金の一面に砥粒層を形成し、その砥粒層にスリットを形成したり、ペレット状の砥粒層を台金に貼り付けたりして加工能率の向上及び維持を図る技術が知られている。
【０００３】
図１２〜図１６は、従来の平面ホーニング加工用超砥粒ホイールの例である。図１２及び図１３は台金の一面に超砥粒層２０１を形成したもので、図１２は同心円状のスリット２０２を、図１３はさらに放射状のスリット２０２をそれぞれ形成した例である。また、放射状ではなく、中心から外周へとらせん状にスリットを形成した例もある。図１５は上記のスリットが形成されていない例である。これらのホイールを図１１に示す平面ホーニング機に取り付け加工を行う。ここで簡単に平面ホーニング加工機の概要を説明する。
【０００４】
図１１において、１６１は装置コラムを、１６２はベッドを、１６３はガイドレールを、１６４はスライドを、１６５は昇降用モータを、１６６は主軸ヘッドを、１６７は主軸を、１６８は主軸ヘッド駆動用モータを、１６９は被加工物を固定するチャックを、１７０は台金を固定して、回転駆動するためのテーブルを、１７１は台金を、１７２は砥石とワーク間に研削液を供給する供給口を、１７３は台金１７１上に形成された超砥粒層を、１７４は被加工物を、１７５は冷却用の研削液をそれぞれ示している。
コラム１６１は装置ベッド１６２に設置・固定されている。ガイドレール１６３はコラム１６１の前面において上下方向に設置されており、これに係合したスライド１６４は昇降用モータ１６５により上下に駆動可能となっている。主軸ヘッド１６６はスライド１６４に固定され、主軸１６７に結合されている主軸ヘッド駆動用モータ１６８により回転が可能である。被加工物１７４はチャック１６９を介して主軸ヘッド１６６の下方に固定されている。ベッド１６２上に設置されたテーブル１７０には台金１７１とその台金の主面には超砥粒層１７３が形成されている。主軸ヘッド１６６の前方あるいは側面には、超砥粒層１７３の表面及び被加工物１７４の表面に向けて、例えば研削液等の冷却用液体１７５を噴射・供給させるための供給口１７２が複数点在して設置されている。
【０００５】
この平面ホーニング加工機では、供給口１７２から超砥粒層１７３の主面に冷却用研削液を噴出して供給し、台金１７１を回転させるとともに、主軸ヘッド１６６により被加工物１７４を回転させながら下降させる。この下降により被加工物１７４の主面が回転する超砥粒層１７３の主面に押し付けられ、加工が行われることになる。
この平面ホーニング加工技術は、東北大学の庄司克雄教授、厨川常元助教授により開発されたものである。固定砥粒による加工方式として、研削加工及びラップ研削がある。これらの加工方法に対する平面ホーニング加工の特徴を以下に記す。
（１）砥石と被加工物の接触面積が大きい面接触研削である、
（２）砥粒１個あたりの切削力が小さく、砥粒切り込み深さが小さい、
（３）加工形態が定圧研削である、
（４）砥粒切削長さが長い、
が挙げられる。従って、
（イ）加工能率が高い、
（ロ）加工精度（平坦度、平行度）が高い、
（ハ）仕上げ面粗さが良い、
（ニ）加工変質層が小さい、
などの従来加工方式に無い利点を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の平面ホーニング加工方法の加工能率を高めるため、ホイールの周速を高くする試みがなされている。また、被加工物のシリコン、ガラス、セラミックなどの硬脆性材料は、より一層薄く、かつ高い平行度、平坦度が要求されている。
しかし、図１２〜１６に示す従来の平面ホーニング用超砥粒ホイール、あるいは複合した加工溝２０２が形成された平面ホーニング加工用超砥粒ホイールを高周速度で用いる場合には、以下に示す課題があった。
【０００７】
１）研削液が研削位置に供給されにくいため、目詰まりを起こしやすい。
超砥粒層１７３が平面状のため、被加工物１７４と超砥粒層１７３との研削位置に供給口１７２より供給される研削液１７５が入り込み、超砥粒層１７３及び主軸１６７を回転することにより動圧が発生し、被加工物を押し上げる方向に力が作用する。加工圧がこの動圧よりも小さい場合、被加工物１７４の表面は超砥粒層１７３に接触せず、結果として加工されなくなる。
２）研削加工中に被加工物にかかる動圧が被加工物面内で不均一であったり、あるいは加工圧力が小さい場合は、ハイドロプレーニング現象により、被加工物が超砥粒層より浮上して加工できない。
台金１７１のほぼ全面に超砥粒層１７３が形成されているため、台金１７１の中心近傍と外周部とで研削加工時に回転運動による生じる研削液からの動圧に被加工物面内でばらつきが生じる。この動圧のばらつきにより、被加工物の平坦度など加工精度の劣化が生じる。
【０００８】
３）切粉の排除及び砥石突き出し量の制御が困難であり、被加工物表面に線状痕が生じやすい。
砥石突き出し量とは、台金１７１の主面とその上に形成された超砥粒層２０１の主面との高さと定義する。スリット２０２を形成している場合、溝の深さと同義となる。図１２〜１６に示す超砥粒ホイールは、台金１７１上に形成した超砥粒層２０１に直接溝を加工・形成しているため、研削加工により超砥粒層２０１主面が磨耗することにより、砥石突き出し量が経時的に変化することになる。この突き出し量が大きくなると、研削液１７５が超砥粒層２０１主面と被加工物１７４主面とに浸透しにくくなる。最悪の場合、乾式で研削加工が実施されることにより、被加工物に割れ、欠けが生じる。また、この突き出し量が小さい場合、研削加工により発生した切粉が超砥粒層２０１主面と被加工物１７４主面から排除しにくくなり、線状痕やひいては超砥粒層２０１主面に凝集・固着することにより研削能率の低下及び焼けなどの原因となる。
このように砥石突き出し量は、加工品質に大きな影響を及ぼす。前述した超砥粒ホイールでは、この砥石突き出し量を安定して制御することは非常に困難である。
【０００９】
４）ホイールの作製コストが高い。
前述したように、この超砥粒ホイールは、台金１７１の主面に超砥粒層２０１を全面に形成した後に、スリット２０２を加工・形成する。スリット２０２の加工本数、加工量を増加させる場合、スリットの加工時間も増加する。また、せっかく形成した超砥粒層を除去・廃棄する量が増加することになり、ホイールの作製コストが必然的に高くなる。
【００１０】
本発明は、上記従来技術の課題に鑑み、高周速度で平面ホーニング加工を行えるようにして加工能率を向上することを目的とする。
さらに、具体的には、本発明は、超砥粒層の形状及び台金への配列を工夫して研削加工時に生じる被加工物への動圧が分散、低減された平面ホーニング加工用超砥粒ホイールを提供することを目的とする。
本発明は、砥石突き出し量を制御することにより、被加工物の加工面に生じる線状痕が低減され、表面精度の高い研削加工を可能とする平面ホーニング加工用超砥粒ホイールを与えるドレス方法を提供することを目的とする。
本発明は、またそのような平面ホーニング加工用超砥粒ホイールを備えた研削装置を提供することをも目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明による請求項１記載の発明は、円盤状の台金上に複数の超砥粒層を固着してなる平面ホーニング加工用超砥粒ホイールにおいて、前記超砥粒層は円周方向の幅が１０ｍｍ以下の短冊状であり、前記円盤状台金に放射状に複数備えられてなり、かつ前記超砥粒層が前記円盤状台金の中心を通る半径に対してプラス１５度からマイナス１５度以内の角度範囲で交差されていることを特徴とする平面ホーニング加工用超砥粒ホイールであり、前記砥石の被加工物に対する接触面積を中心部に対し周縁部を少なくするように配置することにより、研削加工時にかかるワークへの面圧を面内均一にし、加工精度を向上する作用を有すると同時に超砥粒層中の１砥粒の切削軌跡を長くすることにより、加工面粗さを改善する作用を有する。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、超砥粒層間に、この超砥粒層と異なる材料からなる間隙材を介在されたことを特徴とする平面ホーニング加工用超砥粒ホイールであり、請求項１と同等の作用を有する。
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、超砥粒層の結合材は、気泡を均一に分散、含有していることを特徴とする平面ホーニング加工用超砥粒ホイールであり、請求項１と同等の作用を有すると同時に、気泡により加工位置への研削液の保持あるいは切粉を取り込むことにより、被加工物への熱的なダメージの低減、切粉による加工面への線状痕を低減させる作用を有する。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明において、超砥粒層と間隙材との高さの差が０．０５〜１．５ｍｍであることを特徴とする平面ホーニング加工用超砥粒ホイールであり、請求項１及び３と同等の作用を有する。
請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明において、超砥粒層は、断面形状が台形であることを特徴とする平面ホーニング加工用超砥粒ホイールであり、請求項１及び３と同等の作用を有すると同時に、砥石突き出し量を高く設定可能であり砥石の寿命を長くできる作用を有する。
【００１４】
請求項６記載の発明は、請求項２記載の発明において、間隙材は、この内部に気泡を均一に分散してなることを特徴とする平面ホーニング加工用超砥粒ホイールであり、請求項２及び３と同等の作用を有する。
請求項７記載の発明は、請求項２記載の発明において、間隙材は、この内部に中空のセラミック球が混合・分散してなることを特徴とする請求項２記載の超砥粒ホイールであり、請求項２及び３と同等の作用を有する。
請求項８記載の発明は、請求項７記載の発明において、セラミック球は、その硬さが超砥粒層の結合材及び被加工物の硬さよりも低いことを特徴とする平面ホーニング加工用超砥粒ホイールであり、請求項７と同等の作用を有する。
【００１５】
請求項９記載の発明は、請求項２記載の発明において、間隙材は、その硬さが超砥粒層の結合材の硬さよりも小さいことを特徴とする平面ホーニング加工用超砥粒ホイールであり、請求項２と同等の作用を有する。
請求項１０記載の発明は、請求項２記載の発明において、間隙材は、ウレタンアクリレート系の樹脂であることを特徴とする平面ホーニング加工用超砥粒ホイールであり、請求項２及び３と同等の作用を有すると同時に砥石突き出し量を研削加工と同時に制御可能な作用を有する。
請求項１１記載の発明は、請求項２記載の発明において、間隙材は、層状の積層体であることを特徴とする平面ホーニング加工用超砥粒ホイールであり、砥石突き出し量を容易に制御できる作用を有する。
【００１６】
請求項１２記載の発明は、円盤状の台金に複数の超砥粒層を固着した回転自在な平面ホーニング加工用超砥粒ホイールと、この超砥粒ホイールの上方に被加工物を回転自在に保持する保持部を有し、前記超砥粒ホイールと前記被加工物とを接触させて研削する研削装置であって、前記超砥粒ホイールは、超砥粒層の円周方向の幅が１０ｍｍ以下の短冊状であり、前記円盤状台金に放射状に複数備えられており、かつ前記超砥粒層が前記円盤状台金の中心を通る半径に対してプラス１５度からマイナス１５度の角度範囲で交差されていることを特徴とする研削装置であり、請求項１と同等の作用を有する。
請求項１３記載の発明は、請求項１２記載の発明において、台金は、回転台に固定されこの回転台の回転速度が毎分１００回転以上であることを特徴とする研削装置であり、請求項１と同等の作用を有すると同時に回転遠心力により切粉の研削加工面からの排除を容易にする作用を有する。
【００１７】
請求項１４記載の発明は、円盤状の台金の表面に放射状に複数の超砥粒層とこの超砥粒ホイールの間に間隙材を形成し、遊離砥粒により前記超砥粒層と間隙材を荒らすことにより、前記超砥粒層と間隙材の高さの差を０．０５〜１．５ｍｍに加工する平面ホーニング加工用超砥粒ホイールのドレス方法であり、前記超砥粒層は幅が１０ｍｍ以下の短冊状であり、前記円盤状台金に放射状に複数備えられてなり、かつ前記超砥粒層が前記円盤状台金の中心を通る半径に対してプラス１５度からマイナス１５度以内の角度範囲で交差されており、請求項１と同等の作用を有すると同時に簡易な砥石突き出し量制御方法を提供する作用を有する。
【００１８】
請求項１５記載の発明は、円盤状の台金の表面に放射状に複数の超砥粒層とこの超砥粒ホイールの間に間隙材を形成し、化学的あるいは電気的手段を用いて前記超砥粒層と間隙材の高さの差を０．０５〜１．５ｍｍに加工する超砥粒ホイールのドレス方法であり、前記超砥粒層は幅が１０ｍｍ以下の短冊状であり、前記円盤状台金に放射状に複数備えられてなり、かつ前記超砥粒層が前記円盤状台金の中心を通る半径に対してプラス１５度からマイナス１５度以内の角度範囲で交差されており、請求項１４記載の発明と同等の作用を有する。
請求項１６記載の発明は、請求項１５記載の発明において、化学的手段を用いて超砥粒層と間隙材の高さの差を０．０５〜１．５ｍｍに加工する工程は、アルカリ性研削液を用いることにより、被加工物を加工するのと同時に実施することを特徴とする平面ホーニング加工用超砥粒ホイールのドレス方法であり、請求項１４記載の発明と同等の作用を有する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明による超砥粒ホイール及びドレス方法の実施の形態を、図１〜１０を用いて説明する。
【００２０】
《実施の形態１》
図１は本発明の一実施の形態による超砥粒ホイールの平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図で、いくつかの変形例を示している。本発明による超砥粒ホイールは、図１１に示す研削装置に取り付け使用することとする。即ち、主軸ヘッド１６６側に被加工物を吸着固定し、ホイール上の超砥粒層１７３に被加工物を所定の圧力で加圧し、主軸ヘッド１６６及びホイールを回転させることにより研削加工を行う。ここで、ホイールは毎分１００回転以上の高速回転が可能な機構を採用する。ホイールの直径に依存するが、周速で毎分１００ｍ以上の研削条件で加工を行うこととする。
【００２１】
図１及び２において、１は超砥粒層を、２は超砥粒層１の間隙に充填された間隙材を、３は前記超砥粒層１及び間隙材２を固定するための台金をそれぞれ示している。超砥粒層１は、棒状ないし短冊状の形状を有し、台金３の中心より放射状に等間隔で複数本配置されており、かつその長手方向の中心線は、台金３の半径と所定角度で交差する構造を有している。すなわち、短冊状の超砥粒層１の長手方向の中心線は、台金の中心から半径の１／２のところで、交差する台金の半径と±１５度の範囲内の角度（以下超砥粒層の固着角度という）を有している。図１のＰは、台金の半径と中心線の交差する点を表している。
【００２２】
本実施の形態では、超砥粒層１の固着角度を１０度として以下説明する。
超砥粒層１の断面形状としては、図２（ａ）、（ｃ）に示す矩形のもの、図２（ｂ）、（ｄ）に示す台形の形状のものが好ましい。ここで台金３の主面から、あるいは超砥粒層１の間隙に充填されている間隙材２の主面から、超砥粒層１の主面１Ｔまでの高さＤ１〜Ｄ４を砥石突き出し量と定義する。この砥石突き出し量は、被加工物の加工精度に大きく影響する。研削加工時、図１に示すホイールと被加工物は互いに回転しながら押し付けられることになる。このとき、被加工物の加工面を冷却するとともに加工により発生する切粉を排除するために、冷却用の研削液を供給する。しかし、砥石突き出し量Ｄがある一定値以上となる場合、研削加工時に研削砥石を回転させ、その遠心力による超砥粒層１の主面１Ｔに供給される研削液が減少することにより、被加工物へ熱的なダメージを与えたり、切粉が排除されずに線傷等を生じさせたりする。超砥粒層１の幅、断面形状、加工条件にも依存するが、実験的に求めると、図２（ａ）及び（ｃ）に示すように、超砥粒層１の断面形状が矩形の場合、砥石突き出し量はおおむね０．０５〜１．５ｍｍが良好である。この砥石突き出し量Ｄは、例えば図２（ｂ）及び（ｄ）のように、超砥粒層１の断面形状を台形とすることにより、さらに大きく設定できる。砥石突き出し量を大きく設定できることは、砥石磨耗を考慮すると有利である。
【００２３】
また、図３に示すように、超砥粒層１の表面に、局所的に空隙を設けても同様の効果が期待できる。これは、空隙がポケットとなり、研削液の循環や切粉の加工面からの排除に寄与するからである。図３は超砥粒層１の断面を表面状態とともに模式的に示した例である。１１は研削加工に関与する砥粒を示しており、一般的には、人造ダイヤモンド、天然ダイヤモンド、ｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）、ＢＮ（窒化ホウ素）、アルミナなどからなる。１３は砥粒１１を分散・固定するための結合材を示している。結合材は、樹脂系、セラミック系、および金属系の材料からなるものに大別される。１２は結合材１３中に形成された空隙である。この空隙の形成方法としては、結合材１３の焼成温度よりも低い気化温度または昇華温度を有する材料を結合材中に混合・分散させ、砥石焼成時に前記材料を気化または昇華させることにより形成する。この空隙により、砥石突き出し量Ｄを大きく設定できる。よって、前記の台形の断面形状を有するものと同等の効果が得られる。
【００２４】
図２（ｃ）及び（ｄ）は、超砥粒層１を台金３に直接に接着固定しているため、砥石突き出し量Ｄは超砥粒層１の厚みで一義的に決定する。一方、図２（ａ）及び（ｂ）は、超砥粒層間に充填する間隙材２の厚みを制御することにより、砥石突き出し量Ｄは任意に変更が可能である。このことは、砥石突き出し量Ｄを超砥粒層１の初期厚みに依存することなく調整することができることを意味し、超砥粒層１の初期厚みを大きくすることが可能となり、加工中の砥石磨耗に対する砥石の寿命が長くなる。その結果、製造コストを低減することができる。間隙材２の厚み制御方法は後ほど説明する。
【００２５】
次に、超砥粒層１の配置に関してスクラッチの低減効果と平坦度改善効果の観点から説明する。
図７及び８は本発明のホイールを用いてホーニング加工を行う場合の被加工物に受けるホイールからの動圧分布を説明するための模式図であり、図９及び１０は図１２〜１６に示す従来ホイールを用いた場合の被加工物にかかる動圧分布を説明するための模式図である。図７及び図９はホイールと被加工物及び超砥粒層との位置関係を、図８及び１０は断面における被加工物にかかる動圧の分布をそれぞれ示したものである。４１及び４６は被加工物を、４２及び４７は超砥粒層を、４５及び４８は台金を、４３及び５０は研削液を、４４及び４９は研削加工時の動圧を示している。７２及び８２は被加工物を、７３、７４及び８３及び８４は超砥粒層を、７８及び８６はホーニング加工方向を、７７及び８５は超砥粒層の間隙を、θ１及びθ２は台金に固着されている超砥粒層の固着角度を示している。
【００２６】
まず、スクラッチの低減効果について説明する。図１２〜１６に示す従来ホイールを使用する場合、超砥粒層８３及び８４の固着角度θ２は９０°近傍となり、またホーニング加工方向８６に対し平行に近い角度となる。そのため、ホイールの回転中心により近い超砥粒層８４で生じた切粉は、外周の超砥粒層の間隙８５に排出されるが、超砥粒層８４がホーニング加工方向と平行に配置されているため、回転による遠心力で超砥粒層８４の外周の超砥粒層８３上へ切粉が乗りあがることになる。この乗りあがった切粉がスクラッチ等の原因となり、加工品質を低下させる。この切粉の超砥粒層８３への乗り上げを防止するためには、ホーニング加工方向８６に対し超砥粒層が垂直に交差するように配置する、即ち超砥粒層８３の固着角度θ２を小さくすることで解消可能である。切粉の乗り上げを防止するためには、超砥粒層８３の突き出し量を大きくすることも考えられるが、この場合研削液の乗り上げも少なくなるため、被加工物への熱的なダメージが生じたり、逆に加工面に発生する切粉も排除できなくなるため、さらにスクラッチを増加させることになる。
【００２７】
今回、表１に示す内容で実際に本発明のホーニング加工用超砥粒ホイールを試作し、超砥粒層の固着角度θと超砥粒突き出し量の最適範囲を実験的に求めた。その結果、超砥粒層の固着角度は台金の半径に対し±１５度の範囲で、超砥粒層の突き出し量は０．０５〜１．５ｍｍの範囲でスクラッチの劇的な低減効果が見られた。また、超砥粒層の幅は、１０ｍｍ以上となると、面接触の効果が大きくなり、スクラッチの原因となる。超砥粒層の幅が１ｍｍ以下となると、実際に加工に作用する砥粒の数が減少するため、加工時のダメージが増大することになる。そのため、超砥粒層の幅は１〜１０ｍｍの範囲が望ましく、ホイールの製作上３〜６ｍｍの範囲がさらに望ましい。
【００２８】
次に動圧の分散・低減による平坦度の改善効果について説明する。従来のホイールを用いた場合、超砥粒層４７がホーニング加工方向に対しほぼ平行に配置されているため、台金４８の回転による被加工物への研削液５０の入射面側でより動圧が高くなる、結果的にホーニング加工時に被加工物４６及び台金４８の回転により生じる研削液５０からの動圧は、被加工物４６の回転中心からずれることになる。定性的に示すと、図１０のようになり、被加工物４６は超砥粒層４７に対し傾斜して浮上する。その結果、被加工物周縁から研削加工が開始されるために、加工後のウエハ形状は、中央が凸形状となる。
【００２９】
それに対し本発明のホイールでは、超砥粒層４７を棒状とすることにより、従来ホイールと比較して研削加工時の砥石接触面積を小さくすることができる。そのため、被加工物４１にかかる研削加工時の動圧を小さく、かつ分散することができ、動圧の作用点を被加工物の中央に設定することができる。このため被加工物４１を超砥粒層４２に対し平行に浮上させることができる。従って、被加工物４１を平行に研削加工することが可能となり、その結果、平行度及び平坦度が向上する。さらに、超砥粒層の長手方向の中心線と、台金の中心から半径の１／２のところで前記中心線と交差する台金の半径とのなす角度が±１５度以内となるように、超砥粒層４２を台金４５の中心から放射状に配置することにより、加工条件あるいは被加工物形状が変更になった場合の前記動圧作用中心を調整することが可能となる。
【００３０】
表１に示したホイールを実際に試作して加工後の平坦度を比較すると、螺旋スリットを形成した比較例３に対し表面形状エラーで約１／２以下と低減することができた。また、この超砥粒層４２の固着角度は研削液４３を台金４５の外縁部まで澱みなく流す効果も同時に有する。
本発明による超砥粒層の幅、その配置、及び突き出し量の効果を確認するため、上記実施例の形態に示す超砥粒ホイール及び図１２〜１６に示す従来のホイールを試作してホーニング加工を行った。表１はホイールの構造的条件をそれぞれ示す。表２は表１のホーニング加工の結果を示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
【表２】
0004746788.tif 000003
【００３３】
表２の評価に関して、スクラッチの評価には５０倍の微分干渉顕微鏡を用い、視野内でのスクラッチの本数を測定した。比較例１〜３では、方向が不特定なスクラッチが顕微鏡視野内で少なくとも５０本程度は観察された。それに対し本発明による実施例１では、顕微鏡視野内のスクラッチの数が１０本以下と激減した。
【００３４】
《実施の形態２》
ここでは、図４を用いて本発明の平面ホーニング加工用超砥粒ホイールのドレス方法による超砥粒層１の砥石突き出し量Ｄの制御方法の一例を説明する。
図４において、２１は超砥粒層、２３は超砥粒層２１を接着・固定する台金を、２２は超砥粒層間に充填されている間隙材を、２４は研磨用の面盤を、２５は溶媒に分散させた遊離砥粒を、２６及び２７は面盤２４及び台金２７の移動方向をそれぞれ示している。超砥粒層２１の構造は、模式的には図３のようになっており、基本的には被加工物を加工するための砥粒１１とその砥粒を分散・固定するための結合材１３からなる。
結合材１３は、主に金属系、セラミック系、樹脂系の材料がある。ここで説明する砥石突き出し量Ｄの制御方法では、結合材１３が超砥粒層間に充填されている材料２２よりも機械的強度が高いものを選択する。あるいは遊離砥粒２５と接触・加工時に樹脂材料と化学的に反応する材料を選択する。
ここで説明する砥石突き出し量Ｄの制御方法は、まず台金２３に超砥粒層２１を配置し、接着により固定した後、超砥粒層２１間に間隙材２２を充填する。このとき、充填する材料２２の充填量は、少なくとも超砥粒層２１の厚み以上とする。次に、溶媒に分散・混合した遊離砥粒２５を含むスラリーを前記材料２２と研磨用面盤２４との間に供給し、研磨用面盤２４に圧力を加えて回転させ、加工を行う。このとき使用する遊離砥粒２５は、間隙材２２よりも機械的強度が高く、かつ結合材１３より機械的強度が低いかまたは同等のものを選択する。あるいは間隙材２２と接触時に化学反応し、かつ結合材１３とは反応を起こさない材料を選択する。代表的なものとして、炭化珪素系、アルミナ系、ジルコニア系、ダイヤモンド系などが挙げられる。
【００３５】
加工が進行すると、まず超砥粒層２１の主面が露出し始める。超砥粒層２１の主面全体が露出すると、超砥粒層２１の結合材が遊離砥粒２５より機械的強度が高いために、超砥粒層２１の主面はほとんど加工されなくなる。さらに加工を継続すると、間隙材２２が結合材１３及び遊離砥粒よりも機械的強度が低いために、間隙材２２のみが選択的に加工されることになる。これは、機械的強度が異なる異種材料を研磨加工するときに見られるリセス（あるいはリセッション）と呼ばれる現象を利用したものである。間隙材２２の主面と超砥粒層２１の主面との高さの差Ｄ１１が所定の０．０５〜１．５ｍｍの値まで加工されたときに、上記研磨加工を停止すればよい。この方法では、研削加工により超砥粒層２１が磨耗、低背化していっても、常に砥石突き出し量Ｄ１１を一定値に制御することが可能である。
【００３６】
上記方法は、間隙材２２の加工を遊離砥粒２５を用いて行うものである。間隙材２２をある溶媒により溶出可能なもの、あるいは電界を印加することにより溶出可能な材料を選択することにより、同様な効果を得ることができる。この場合、研削液にはアルカリ系の溶液を使用する場合が多いため、アルカリ溶出タイプの材料を選択すべきである。代表的なものとしては、ウレタンアクリレート系が有望と考えられる。
このような間隙材２２を選択することにより、別途砥石突き出し量の調整工程を必要とせず、研削加工を行いながら同時に砥石突き出し量Ｄが調整可能となる。また、電界印加による溶出を利用する場合、間隙材２２に金属系の材料を選択することも可能となる。電界印加による溶出可能な材料としては、アルミニウム、鉄系の材料が考えられる。ただし、電界印加による溶出効果を利用する場合、別途砥石面盤と被加工物との間に電界印加の装置を付加する必要が生じる。
【００３７】
《実施の形態３》
次に、図５を用いて本発明の平面ホーニング加工用超砥粒ホイールのドレス方法による超砥粒層１の砥石突き出し量の制御方法の一例を説明する。
図５において、３１は超砥粒層を、３２は超砥粒層３１間に充填される間隙材を、３３は間隙材３２に混合・分散されている気泡あるいは中空のセラミック球を、３４は台金を、３５は材料３２を研削するための砥石を、３８は砥石３２の砥粒を、３６及び３７は砥石３５及び台金３４の運動方向をそれぞれ示している。超砥粒層の構成は実施の形態２に準じるものとする。
【００３８】
まず、台金３４上に超砥粒層３１を配置し、接着により固定する。次に、間隙材３２中に気泡あるいは中空のセラミック球を混合・分散させ、超砥粒層３１間に充填する。このとき、間隙材３２は超砥粒層３１を完全に覆うように充填する。中空のセラミック球３３を混合する場合、セラミック球３３の材料は砥石３５の砥粒３８よりも硬さが低い材料を選択する。また、間隙材３２及び超砥粒層３１の結合材は、砥粒３８よりも機械的強度が低いものを選択する。気泡及び中空のセラミック球３３の直径は、可能な限り均一なものが望ましく、また超砥粒層３１の砥石突き出し量よりも大きく設定する方が望ましい。セラミック球の直径を超砥粒層３１の厚みより大きく設定することにより、以下に示す研削加工によるドレスで必ずこのセラミック球３３は加工されることになる。
【００３９】
研削加工されたセラミック球３３は、内部の空隙が露出することにより、超砥粒層間に充填された間隙材３２に対し研削液を保持したり、研削面の切粉を排除するためのチップポケットの役割を果たすことになる。また、セラミック球３３の大きさは、超砥粒層３１の厚みの２倍程度までが望ましい。セラミック球が研削加工されることにより生じるチップポケットは、可能な限り間隙材３２中に均等、かつ多く分散することが望ましい。そのため、このセラミック球３３の直径があまり大きくなると分散の密度は減少し、チップポケットの効果は小さくなる。分散性及びセラミック球の試作コストなどを考慮すると、超砥粒層３１の厚みの２倍程度を推奨する。
【００４０】
間隙材３２を充填した後、砥石３５を用いて間隙材３２の主面を研削加工する。このとき、砥石３５と被加工物である台金３４とを互いに別方向である３６、３７方向に運動させることにより、砥石３５の砥粒３８の加工能率を上げることができる。加工を継続すると、間隙材３２は除去されていき、やがて超砥粒層３１の主面が露出し始める。ここで研削は停止する。このとき、超砥粒層３１間に充填した間隙材３２の主面には、混合・分散させた気泡あるいは中空のセラミック球３３の、前記超砥粒層３１の主面より突出した部分のみが研削加工により除去され、結果的に表面に空隙を形成する。
【００４１】
間隙材３２へ混合・分散させる気泡あるいは中空のセラミック球３３の直径が均一であり、分散性が良いほど空隙の形成能力は向上する。また、気泡あるいは中空のセラミック球３３の直径を超砥粒層３１の厚みの２倍に設定すれば、上記に示すドレス方法により必ず超砥粒層３１の厚みと同等の深さを有する空隙を間隙材３２の主面に形成することが可能となる。
また、実施の形態２のドレス方法と組み合わせることにより、効果をさらに高めることもできる。即ち、間隙材３２及び超砥粒層３１の結合材及び遊離砥粒との機械的強度を実施の形態２と同様に選択し、さらに中空セラミック球３３を混合させる場合は、セラミック球３３の材料を実施の形態２の遊離砥粒の機械的強度よりも低くする。これにより間隙材３２の主面に空隙を形成し、かつ間隙材３２の主面を実施の形態２と同様に超砥粒層３１の主面より低く加工することが可能となる。これにより、材料表面の空隙によるチップポケットと砥石突き出し量の両方により研削液の保持効果と切粉の排除が可能となるため、より効果が増大することになる。間隙材３２に樹脂材料を選定することにより、実施の形態２と同様にアルカリによる溶出あるいは電界印加による溶出も利用可能である。
【００４２】
《実施の形態４》
次に図６を用いて本発明の平面ホーニング加工用超砥粒ホイールのドレス方法による超砥粒層１の砥石突き出し量Ｄの制御方法の一例を説明する。
図６において、６１は超砥粒層を、６４は台金を、６２は超砥粒層６１間に充填された層状の間隙材を、６５は研削液あるいはエッチング液の供給口を、６３は研削液あるいはエッチング液をそれぞれ示している。
研削加工時あるいは別途ドレス工程を設け、研削液あるいはエッチング液６３を層状間隙材６２に浸透させて膨潤・剥離させ、間隙材の層厚を砥石突き出し量Ｄが０．０５〜１．５ｍｍとなるように制御する。層状間隙材６２は、例えば金属、セラミック、樹脂、紙などであり、電気的あるいは化学的なエッチングや機械的な手段により、積層された各層が容易に剥離できるものを選択する。
実施の形態３で説明した樹脂系の間隙材を選択することにより、研削加工中での突き出し量制御も可能である。ただし、この場合、間隙材が被加工物及び超砥粒層よりも硬さが低いことが必要である。また、材料に紙を選択した場合、研削液により軟化・膨潤するため、層間での剥離が容易となる。この積層体の充填材と図３に示す超砥粒層とを組み合わせることで、より効果が増大することになる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように本発明の超砥粒ホイールは、円盤状の台金とこれに固定された短冊状の複数の超砥粒層からなり、前記超砥粒層が前記台金の中心を通る半径に対し特定の角度範囲内で交差するように配列することにより、被加工物にかかる研削加工中の動圧を分散し、作用中心を被加工物の回転中心へ設定することが可能となる。その結果、加工後の被加工物の平坦度を向上させる効果を有する。また、砥石突き出し量（砥石面盤主面と超砥粒層主面との高さの差）を０．０５〜１．５ｍｍとし、かつ超砥粒層の円周方向の幅を１０ｍｍ以下とすることにより、研削液の超砥粒層主面への供給を改善し、被加工物への熱的ダメージを低減し、かつ線傷を低減することが可能となる効果も有する。また、超砥粒層間に気泡あるいは中空のセラミック球を混合・分散した間隙材を介在させることにより、超砥粒層の厚みに依存せず容易に砥石突き出し量を制御可能となる効果も同時に有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による平面ホーニング加工用超砥粒ホイールの平面図である。
【図２】各種超砥粒ホイールの図１のＡ−Ａ線に相当する部分で切った断面図である。
【図３】ホイールの超砥粒層の断面を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態２による平面ホーニング加工用超砥粒ホイールのドレス方法の説明図である。
【図５】本発明の実施の形態３による平面ホーニング加工用超砥粒ホイールのドレス方法の説明図である。
【図６】本発明の実施の形態４による平面ホーニング加工用超砥粒ホイールのドレス方法の説明図である。
【図７】本発明の実施の形態１による平面ホーニング加工用超砥粒ホイールを使用した場合のホイール、超砥粒層および被加工物の位置関係を示す平面図である。
【図８】被加工部への動圧分布を示す模式図である。
【図９】従来ホイールによるホーニング加工時のホイール、超砥粒層および被加工物の位置関係を示す平面図である。
【図１０】被加工物への動圧分布を示す模式図である。
【図１１】平面ホーニング加工装置の一例を示す正面図である。
【図１２】従来の超砥粒ホイールの平面図である。
【図１３】従来の他の超砥粒ホイールの平面図である。
【図１４】同ホイールのＣ−Ｃ線で切った拡大断面図である。
【図１５】従来の更に他の超砥粒ホイールの平面図である。
【図１６】同ホイールのＤ−Ｄ線断面図である。
【符号の説明】
１、２１、３１、６１  超砥粒層
１Ｔ  超砥粒層主面
１Ｓ  超砥粒層側面
２、２２、３２、６２  間隙材
３、２３、３４、６４、５４  台金
１１  砥粒
１２  空隙
１３  結合材
２４  研磨用面盤
２５  遊離砥粒
２６、２７  移動方向
３３  気泡及び中空のセラミック球
３５  砥石
３６、３７  移動方向
４１  被加工物
４２  超砥粒層
４３  研削液
４４  動圧
１６６  主軸ヘッド
１６９  チャック
１７０  テーブル
１７１  台金
１７３  超砥粒層
１７４  被加工物
１７５  研削液
Ｄ１〜Ｄ１１  砥石突き出し量
【図１】
0004746788.tif 000004
【図２】
0004746788.tif 000005
【図３】
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【図４】
0004746788.tif 000007
【図５】
0004746788.tif 000008
【図６】
0004746788.tif 000009
【図７】
0004746788.tif 000010
【図８】
0004746788.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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