JP2017154240A

JP2017154240A - ワーク加工装置

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Publication number: JP2017154240A
Application number: JP2016042650A
Authority: JP
Inventors: 片山　一郎; Ichiro Katayama; 一郎片山
Original assignee: Daitron Technology Co Ltd
Current assignee: Daitron Co Ltd
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2036-03-04
Also published as: JP6725831B2

Abstract

【課題】大径の砥石を使用可能なワーク加工装置を提供する。【解決手段】ワーク１００を研磨または研削して加工するワーク加工装置１０は、砥石１１０，１２０を保持するとともに、当該砥石１１０，１２０を規定の砥石回転軸Ｒｔ１，Ｒｔ２回りに回転させる砥石保持機構１２と、前記ワーク１００を保持するワーク保持機構１４と、前記砥石保持機構１２とワーク保持機構１４とを相対的に直線移動させる直線移動機構と、前記ワーク１００を、前記ワーク１００の表面と平行な揺動軸Ｒｗ２回りに揺動させることで、前記砥石１１０，１２０に対する前記ワーク１００の姿勢を変化させる揺動機構１６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェーハ等のワークのエッジを砥石により研磨または研削して面取り加工するワーク加工装置に関する。

従来から、半導体ウェーハやガラス基板等のワークのエッジを、砥石により研削または研磨して、当該ワークのエッジ外周を所望の形状に面取り加工するワーク加工装置が多数提案されている。

特許文献１〜３には、円板型の溝なし砥石の外周面を用いて、ワークのエッジ外周を面取り加工したり、ノッチまたはオリエンテーションフラットを所望の形状に加工したりする技術が開示されている。特許文献３には、さらに、溝なしのカップ型砥石の先端面を用いて半導体ウェーハのエッジ外周を面取り加工するとともに、当該砥石の先端面を用いて当該半導体ウェーハのオリエンテーションフラットを所望の形状に加工することも開示されている。特許文献４及び５には、溝なしのカップ型砥石の先端面を用いて半導体ウェーハのエッジ外周を面取り加工するとともに当該砥石の先端面を用いて当該半導体ウェーハのオリエンテーションフラットやノッチを所望の形状に加工する技術が開示されている。特許文献６には、溝なしのカップ型砥石の先端面を用いて矩形のガラス基板のエッジ外周を面取り加工する技術が開示されている。特許文献７には、円板型の溝なし砥石の先端面を用いて半導体ウェーハのエッジ外周を面取り加工する技術が開示されている。さらに、特許文献８，９には、面取り形状に応じた形状の溝を有した溝あり砥石を、特許文献１０には、溝なしの研摩剤を含んだゴムホイールを、ワークに斜めに当てて加工する技術が開示されている。

こうしたワーク加工装置では、砥石の交換頻度を少なくしたいという要望がある。円板型やカップ型の溝なし砥石を用いてワークのエッジを面取り加工する場合、砥石の径を大きくすることで、砥石の寿命を長くでき、交換頻度を低減できる。しかし、ワークが、水平保持されていると、ワークの裏面を加工する際には、ワークと床面との間に砥石を潜り込ませる必要があり、大径の砥石が使用できない。

また、溝あり砥石を用いた場合、定期的に、溝の形状を修正する作業が必要になるため、砥石を、比較的、高頻度で交換する必要があり、手間であった。

特開２００４−１３６４１６号公報特開２０００−３１７７８９号公報特開２００８−１７７３４８号公報特開２０１２−１４３８６５号公報特開２０１２−１２４５４１号公報特開２０１１−０２６１９５号公報特開２００４−５０３４５号公報特開平５−１５２２５９号公報特開２０００−１６７７５３号公報特開２００５−０４０８７７号公報

カップ型砥石もしくは溝なし砥石を用いてワークの外周やオリエンテーションフラット又はノッチ等のエッジを面取り加工する場合、ワークに対する砥石の位置および姿勢を適宜、変更する必要がある。そのため、特許文献３〜７等に開示されているワーク加工装置には、砥石をワークに対して直線移動させる機構と、砥石を揺動させる機構とが設けられていた。

しかしながら、従来技術のように砥石を揺動させる構成の場合、砥石の径を大きくすることが難しく、ひいては砥石の寿命が短くなるという問題があった。すなわち、砥石は、通常一分間に数千回転という高速で回転しながらワークを研削・研磨する。このように高い回転数と研削・研磨に耐えるトルクとを得るためには、大出力で大型のモータが必要となる。そのため、砥石の径（ひいては重量）が比較的小さくても、砥石を回転させるモータは、大型になりやすかった。ましてや砥石を大径とした場合、非常に大きなモータが必要になり、砥石を回転させる機構が大型化・大重量化する。このような大型で大重量の回転機構の位置および姿勢を精度よく位置決めするためには、非常に高剛性で大型の構成が必要となり、実現は難しかった。結果として、従来の技術では、ワークに比して比較的小さな径の砥石を使用せざるを得なかった。しかし、砥石の径が小さいと砥石の寿命も短くなり、砥石の交換頻度が大きくなる。これは、コスト的にも、手間的にも、ユーザにとって負担であった。

そこで、本発明では、装置を大型化することなく大径の砥石を使用可能なワーク加工装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態であるワーク加工装置は、ワークを溝なし砥石により研磨または研削して面取り加工するワーク加工装置であって、溝なしの砥石を保持するとともに、当該砥石を規定の砥石回転軸回りに回転させる砥石保持機構と、前記ワークを保持するワーク保持機構と、前記砥石保持機構とワーク保持機構とを相対的に直線移動させる直線移動機構と、前記ワークを、前記ワークの表面と平行な揺動軸回りに揺動させることで、前記砥石に対する前記ワークの姿勢を変化させる揺動機構と、を備えることを特徴とする。

好適な態様では、前記ワーク保持機構は、前記ワークを、前記ワークの表面に直交するワーク回転軸回りに回転させるワーク回転機構を含む。

他の好適な態様では、前記ワーク保持機構は、前記ワークの表面が鉛直方向と平行になる姿勢で前記ワークを保持しており、前記ワーク回転軸は、水平方向の軸であり、前記揺動軸は、前記ワーク回転軸と交差する鉛直方向の軸である。

他の好適な態様では、前記砥石は、１以上の砥石要素を同心に配して一部品化したものである。この場合、前記砥石要素は、所定の板厚を有する円筒として形成されその先端面により面取り加工を行うカップ型であり、前記砥石回転軸は、前記揺動軸に対して垂直な方向に延び、前記砥石要素の軸直角端面で、前記ワークを研削または研磨する、ことが望ましい。また、この場合、前記砥石は、互いに径の異なる複数のカップ型の砥石要素をベース部材の一面に同心円状に固着して構成される、ことも望ましい。

他の好適な態様では、前記砥石要素は、その外周面により面取り加工を行う円板型砥石であり、前記砥石回転軸は、前記ワークの表面に対して傾いており、前記砥石要素の周端面で、前記ワークを研削または研磨する。この場合、前記砥石は、互いに径が同じ複数の円板型の砥石要素を回転軸方向にずらしながら同心に配して構成される、ことが望ましい。

他の好適な態様では、前記ワーク保持機構は、前記ワークの裏面を吸引保持しており、前記ワークのエッジ形状の加工は、前記ワークの表面側から行う。

本発明によれば、砥石ではなく、ワークを揺動させているため、砥石を大径化することができ、砥石の寿命をより増加できる。

本発明の第一実施形態であるワーク加工装置の斜視図である。ワーク加工装置の斜視図である。ワーク加工装置の斜視図である。ワーク加工装置の他の方向から見た斜視図である。ワーク加工装置で用いる砥石の一例を示す斜視図である。ワークの外周エッジ加工の様子を示す図である。ワークの外周エッジ加工の様子を示す図である。ワークの外周エッジ加工の様子を示す図である。エッジの断面形状の一例を示す図である。エッジの断面形状の一例を示す図である。ワーク加工装置の斜視図である。オリエンテーションフラットの一例を示す図である。ノッチの加工の様子を示す図である。ノッチの一例を示す図である。本発明の第二実施形態であるワーク加工装置の斜視図である。ワーク加工装置の斜視図である。ワーク加工装置の斜視図である。ワーク加工装置で用いる砥石の一例を示す斜視図である。ワークの外周エッジ加工の様子を示す図である。ワーク加工装置で、矩形のワークを加工する様子を示す斜視図である。ワーク加工装置で、矩形のワークを加工する様子を示す斜視図である。従来のワーク加工装置を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１〜図３は、本発明の第一実施形態であるワーク加工装置１０の斜視図である。また、図４は、別の角度からみたワーク加工装置１０の斜視図であり、図５は、このワーク加工装置１０で使用する第一砥石１１０の斜視図である。

ワーク加工装置１０は、半導体ウェーハやガラス基板、セラミックス等の円形のワーク１００を研削（または研磨）する装置である。本実施形態のワーク加工装置１０は、高硬度のワーク１００、例えば、サファイアや、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）等を含むワークの加工に特に適しているが、当然、他の種類のワークの加工に用いてもよい。

ワーク加工装置１０は、砥石１１０，１２０を回転可能に保持する砥石保持機構１２と、ワーク１００を保持するワーク保持機構１４と、砥石１１０及び１２０とワーク１００とを相対的に直線移動させる直線移動機構と、ワーク保持機構１４を揺動させる揺動機構１６と、を備えている。

砥石保持機構１２は、さらに、第一砥石１１０を保持する第一保持機構と、第二砥石１２０を保持する第二保持機構と、に大別される。第一砥石１１０は、主に、ワーク１００の外周１０２やオリエンテーションフラット１０４の面取り加工に用いられる。第一砥石１１０は、図５に示すように、二つの砥石要素１１２ａ，１１２ｂ（両者を区別しない場合は、単に、添え字ａ，ｂを省略して「砥石要素１１２」と呼ぶ）を有しており、各砥石要素１１２は、所定の板厚を有した円筒形、すなわち、カップ型でありその先端面において面取り加工を行うものである。第一砥石１１０は、図５に示すように、径が異なる二つのカップ型の砥石要素１１２ａ，１１２ｂを、ベース部材１１４の一面に同心に固着して一部品化したものである。本実施形態では、二つの砥石要素１１２ａ，１１２ｂのうち、大径の砥石要素１１２ａを精密研削に、小径の砥石要素１１２ｂを粗研削に用いている。そのため、二つの砥石要素１１２ａ，１１２ｂは、砥粒の粒度（番手）、砥粒の種類、バインダの種類の少なくとも一つが異なっている。なお、ここで示した第一砥石１１０の構成は一例であり、カップ型の砥石要素１１２を少なくとも一つ有するのであれば、その他の構成は適宜、変更されてもよい。例えば、カップ型の砥石要素１１２の個数は、一つでも、三つ以上でもよい。また、複数の砥石要素１１２の特性は、互いに異なっていてもよいし、同じでもよい。複数の砥石要素１１２の特性を同一にした場合、一つの砥石要素１１２が摩耗した際には、他の砥石要素１１２を使用できるため、砥石交換の頻度を大幅に低減できる。

第二砥石１２０は、主にノッチ１０６の面取り加工に用いられる。第二砥石１２０は、一つの砥石要素１１２を有しており、この砥石要素１１２は、所定の板厚を有した円筒形、すなわち、カップ型でありその先端面において面取り加工を行うものである。この第二砥石１２０は、第一砥石１１０に比して小径である。また、後に詳説するように、第二砥石１２０の先端面は、ノッチ１０６の谷部の研削仕上がり予定の形状に合わせて形成されている。

第一保持機構は、第一砥石１１０を回転保持するための第一モータ２０を有している。第一砥石１１０は、第一モータ２０の出力軸にナット等で固定されて保持される。第一モータ２０は、第一砥石１１０を高速、例えば、４０００ｒｐｍ程度の速度で回転させる。このとき、第一モータ２０は、第一砥石１１０の回転軸Ｒｔ１が、水平軸であるＸ軸と平行、換言すれば、後述する揺動軸Ｒｗ２に対して垂直になる姿勢で、後述するＸ軸移動部３４に設置されている。

第二保持機構は、第二砥石１２０を回転させる第二モータ２２を有している。第二砥石１２０は、第二モータ２２の出力軸にナット等で固定されて保持される。第二モータ２２は、第二砥石１２０を高速、例えば、１２０００ｒｐｍ程度の速度で回転させる。第二モータ２２は、第一モータ２０とともに、Ｘ軸移動部３４に設置されている。第二砥石１２０の回転軸Ｒｔ２は、水平方向（揺動軸に対して垂直の方向）、かつ、第一砥石１１０の回転軸Ｒｔ１に対して一定の角度（例えば４５度）を成す方向に延びている。また、第二砥石１２０の回転軸Ｒｔ２は、第一砥石１１０の回転軸Ｒｔ１よりもやや高めの位置に設定されている。なお、本実施形態では、各モータ２０，２２と砥石１１０，１２０とを直接連結しているが、両者の間に、減速機構等を設けてもよい。

ワーク保持機構１４は、ワーク１００を吸着保持するチャック２４と、当該チャック２４をワーク１００の表面に垂直な回転軸Ｒｗ１回りに回転させるワーク回転機構と、を備えている。チャック２４は、真空源に連通された複数の吸着孔（図示せず）を介してワーク１００を吸着保持する。本実施形態では、チャック２４の吸着面はＺ軸と平行であり、チャック２４は、ワーク１００の表面がＺ軸、すなわち、鉛直方向と平行になる姿勢でワーク１００を保持する。

このチャック２４はワーク回転用モータ２６の出力軸に連結されており、ワーク回転用モータ２６の回転に伴いワーク１００は水平な回転軸Ｒｗ１回りに回転する。このワーク１００の回転数は、砥石１１０，１２０の回転数よりも十分に低く、数百ｒｐｍ程度である。したがって、ワーク回転用モータ２６としては、砥石回転用の第一、第二モータ２０，２２に比して出力が小さく、比較的小型軽量のモータを選択することができる。

ワーク回転用モータ２６は、略Ｌ字状のブラケット２８に固着されており、このブラケット２８の底面には、揺動用モータ３０の出力軸が連結されている。揺動用モータ３０は、ワーク１００をＺ軸と平行、すなわち、ワーク１００の表面と平行な揺動軸Ｒｗ回りに揺動させる揺動機構１６を構成する。この揺動軸Ｒｗ２は、ワーク１００の回転軸Ｒｗ１と交差する。また、揺動時に生じるモーメントを低減するために、揺動軸Ｒｗ２は、ワーク１００、チャック２４、ワーク回転用モータ２６からなるワーク保持機構１４の重心近傍を通ることが望ましい。揺動用モータ３０が駆動することにより、ワーク１００は、図１〜図３に示すように、揺動軸Ｒｗ２回りに揺動し、ワーク１００の砥石１１０，１２０に対する姿勢が変化する。

直線移動機構は、Ｘ軸テーブル３２、Ｙ軸テーブル４４、Ｚ軸テーブル３８を備えている。Ｘ軸テーブル３２は、Ｘ軸モータ３３や、ボールネジ、ガイドレール等を備えており、Ｘ軸モータ３３の駆動に伴い、Ｘ軸移動部３４が、Ｘ軸方向に直線移動する。砥石保持機構１２は、このＸ軸移動部３４に載置されており、第一、第二砥石１１０，１２０は、Ｘ軸モータ３３の駆動に伴い、Ｘ軸方向に直線移動できる。

Ｚ軸テーブル３８は、Ｚ軸モータ３９やボールネジ、ガイドレール等を備えており、Ｚ軸モータ３９の駆動に伴い、Ｚ軸移動部４０を、Ｚ軸方向に直線移動させる。ワーク保持機構１４および揺動機構１６は、このＺ軸移動部４０に載置されており、ワーク１００は、Ｚ軸モータ３９の駆動に伴い、Ｚ軸方向に直線移動できる。Ｚ軸モータ３９やボールネジ、ガイドレールは、Ｚ軸ベース４２に固着されており、このＺ軸ベース４２は、Ｙ軸移動部４６に固着されている。

Ｙ軸テーブル４４は、Ｙ軸用モータ（図面では見えず）やボールネジ、ガイドレール等を備えており、Ｙ軸モータの駆動に伴い、Ｙ軸移動部４６を、Ｙ軸方向に直線移動させる。既述した通り、Ｚ軸ベース４２がＹ軸移動部４６に固着されているため、Ｚ軸テーブル３８、揺動機構１６、および、ワーク保持機構１４は、Ｙ軸モータの駆動に伴い、Ｙ軸方向に直線移動する。

なお、図１〜図４から明らかな通り、本実施形態では、Ｙ軸移動部４６の中央に貫通孔５０を設け、揺動用モータ３０が、当該貫通孔５０を通過するような配置としている。かかる配置とするのは、ワーク１００の回転軸Ｒｗ１とＹ軸移動部４６との距離を近づけ、Ｙ軸移動により生じるモーメントの低下を図るためである。

なお、ここで説明した直線移動機構は一例であり、その構成は適宜変更されてもよい。例えば、本実施形態では、砥石保持機構１２がＸ軸に、ワーク保持機構１４がＹ軸およびＺ軸方向に直線移動する構成としているが、これらの組み合わせは適宜変更されもよく、例えば、砥石保持機構１２は完全固定で、ワーク保持機構１４が、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動する構成としてもよい。また、本実施形態ではモータの回転をボールネジで直進運動に変換しているが、他の機構で直進運動に変換してもよいし、回転式のモータに替えて、リニアモータを用いる等してもよい。

ワーク１００を研削する際、図示しない制御部は、これら直線移動機構を駆動して、ワーク１００と砥石１１０及び１２０との相対的な位置関係を調整するとともに、揺動機構１６を駆動して、ワーク１００と砥石１１０及び１２０との相対的な姿勢関係を調整する。具体的に、本実施形態のワーク加工装置１０でのワーク１００の面取り加工の流れについて説明する。

はじめに、ワーク１００の外周１０２の面取り加工について図６〜１０を参照して説明する。図６〜図８は、ワーク１００の外周１０２のエッジ研削の様子を示すイメージ図であり、図６は、ワーク１００の板厚の中心線Ｃｗでの概略断面図であり、図７は、ワーク１００および第一砥石１１０を、第一砥石１１０の正面から見た概略図である。また、図８は、ワーク１００および第一砥石１１０をＺ軸方向から見た概略図である。また、図９、図１０は、ワーク１００のエッジの断面形状の一例を示す図である。なお、図６〜図８においては、理解を容易にするために、第一砥石１１０の砥石要素として、単一の砥石要素１１２のみを図示している。

本実施形態では、ワーク１００の外周１０２の断面形状が、図９、図１０に示すような所望の形状になるように面取りを行う。外周の断面形状は、図９に示すようにワーク１００の厚み方向に対向する一対の傾斜面１０７が円弧１０８で結ばれた略コーン状でもよいし、図１０に示すようにワーク１００の厚み方向に対向する一対の傾斜面１０７が直線１０９で結ばれた略台形状でもよい。

ワーク１００の外周を所望の断面形状に仕上げるために、本実施形態では、図６、図７に示すように、第一砥石１１０およびワーク１００を回転させた状態で、カップ型の砥石要素１１２の軸直角端面１１６を、ワーク１００の周端に当接させてワーク１００を研削する。このとき、砥石要素１１２の軸直角端面１１６が、ワーク１００の一箇所に斜めに当接するように、第一砥石１１０の回転軸Ｒｔ１を、ワーク１００の回転軸Ｒｗ１に対して鉛直方向にオフセットし、ワーク１００の板厚中心線Ｃｗに対して水平方向にオフセットする。このように、第一砥石１１０の回転軸Ｒｔ１をオフセットさせることで、当接箇所における砥石要素１１２の移動方向と、ワーク１００の板厚中心線Ｃｗと、が所定の角度αを成し、ワーク１００の端面に、面方向に対して所定の角度αを持った条痕が形成されることとなる。その結果、加工ひずみであるピットや亀裂を効果的に防止できる。なお、回転軸Ｒｔ１のオフセット量Ｏｆｖ，Ｏｆｈは、特に限定されないが、当接箇所における砥石要素１１２の移動方向とワーク１００の板厚中心線Ｃｗとが成す角度αが１５度〜４５度となるような値にすることが望ましい。

ワーク１００の外周１０２を形成する場合には、第一砥石１１０の回転軸Ｒｔ１をオフセットさせた状態のまま、図８に示すようにワーク１００を揺動軸Ｒｗ２回りに揺動させ、ワーク１００の表面と第一砥石１１０の軸直角端面１１６とが成す接触角度βを変化させる。これにより、ワーク１００の角部が砥石要素１１２の軸直角端面１１６に当接し研削される。より具体的には、ワーク１００の外周１０２を形成する場合は、まず、図８（ａ）に示すように、ワーク１００のチャック２４と反対側（以下「表側」と呼ぶ）の角部の研削を行う。したがって、ワーク加工装置１０は、まず、揺動用モータ３０を駆動して、ワーク１００の表面と砥石要素１１２の軸直角端面１１６とが成す接触角度βが鋭角になるように、ワーク１００の姿勢を変更するとともに、直線移動機構を駆動して、ワーク１００と砥石要素１１２の軸直角端面１１６とを当接させて、ワーク１００の表側の研削を行う。

その後、揺動用モータ３０を駆動して、ワーク１００の表面と砥石要素１１２の軸直角端面１１６とが成す接触角度βを徐々に変更しながら、すなわち、ワーク１００の姿勢を変更しながら、砥石によるワーク１００の研削を行う。そして、最終的に、図８（ｃ）に示すように、ワーク１００の裏側の角部の研削を行う。本実施形態では、こうした外周１０２の面取り加工を粗研削用の砥石要素１１２ｂを用いて行った後、精密研削用の砥石要素１１２ａを用いて行う。

次に、本実施形態のワーク加工装置１０で、オリエンテーションフラット１０４を所望の形状に面取り加工することについて図１１、図１２を参照して説明する。図１１は、オリエンテーションフラット１０４の面取り加工時のワーク加工装置１０の斜視図であり、図１２は、オリエンテーションフラット１０４を有したワーク１００の一例を示す図である。オリエンテーションフラット１０４は、ワーク１００の結晶軸方向を示す切り込みであり、ワーク１００の外周１０２の一部を直線状に切り欠いた形状である。このオリエンテーションフラット１０４の面取り加工手順は、第一砥石１１０のみを回転させワーク１００は回転させない状態で、Ｚ軸方向に移動させる点を除けば、外周１０２の面取り加工のときとほぼ同じである。すなわち、図６、図７に示すように、第一砥石１１０の回転軸Ｒｔ１を、ワーク１００の回転軸Ｒｗ１および板厚中心線Ｃｗに対してオフセットさせ、当接箇所における砥石要素１１２の移動方向と、ワーク１００の板厚中心線Ｃｗとが所定の角度αを成すようにする。また、図８に示すように、ワーク１００を揺動軸Ｒｗ２回りに揺動させて、砥石要素１１２の軸直角端面１１６を、ワーク１００の表面、周面、裏面の順に当接させて、所望のエッジ形状を形成する。

次に、本実施形態のワーク加工装置１０で、ノッチ１０６の面取り加工する場合について図４、図１３、図１４を参照して説明する。図１３は、ノッチ１０６の面取り加工を示すイメージ図であり、図１４は、ノッチ１０６を有したワーク１００の一例を示す図である。ノッチ１０６も、ワーク１００の結晶軸方向を示す切り込みであり、ワーク１００の外周１０２の一部をＶ字またはＵ字状に切り欠いて形成される。

このノッチ１０６を面取り加工する際には、第二砥石１２０を用いる。第二砥石１２０は、既述した通り、第一砥石１１０より小径のカップ型の砥石である。この第二砥石１２０の先端面は、ノッチ１０６の谷部の仕上がり予定の形状に合わせて形成されている。例えば、図１３（ｂ）に示すように、ノッチ１０６の谷部のコーナが半径ｒの円弧の場合、カップ状砥石の先端面のコーナも半径ｒの円弧となっている。

ノッチ１０６を面取り加工する際には、第二砥石１２０のみを回転させ、ワーク１００は回転させない状態で、第二砥石１２０の周端面をノッチ１０６の端面に当接させる。このとき、直線移動機構を駆動して、第二砥石１２０をノッチ１０６の外形に沿って動かす。また、所望のエッジ断面形状が得られるように、揺動機構１６を駆動して第二砥石１２０とワーク１００との相対的な姿勢関係を変更する。また、ワーク１００を揺動軸Ｒｗ２回りに揺動させて、砥石要素１１２の軸直角端面１１６を、ワーク１００の表面、周端面、裏面の順に当接させて、所望の形状を形成する。

以上の説明から明らかな通り、本実施形態では、ワーク１００および砥石の姿勢関係を変化させる場合、砥石ではなくワーク１００を揺動軸Ｒｗ２回りに揺動させている。これは、次の理由による。従来から、砥石の寿命をより長くしたいという要望がある。特に、サファイアやＳｉＣ，ＧａＮ等を含む高硬度のワーク１００を加工する場合、砥石が比較的早期に摩耗する。砥石が摩耗した場合には、加工を一時的に中断して砥石を交換する必要があり、コスト的にも手間的にもユーザの負担になっていた。そこで、砥石の寿命を延ばす有効な手段として、砥石の径を大きくすることが考えられる。砥石の径を大きくすることで、砥面の面積を増やすことができ、砥石の交換の頻度を低下できる。

しかし、大径の砥石を使用した場合、その砥石を保持する砥石保持機構を揺動させるのが困難になる。すなわち、砥石を大径化した場合、当該砥石を回転させる砥石保持用モータの出力も増加しなければならず、砥石保持機構の大型化・大重量化を招く。かかる大型で大重量の砥石保持機構を揺動させる構成とすると、砥石揺動のために大型で高価なモータが必要となる。また、高速で回転する砥石を揺動させると、ブレや振動が生じやすく、加工精度に悪影響を与える。

そこで、本実施形態では、砥石１１０及び１２０ではなく、ワーク１００を揺動させる構成としている。ワーク１００を揺動させる構成とすることで、大型の砥石１１０，１２０を揺動させる必要が無くなる。結果として、砥石揺動のための大型のモータが不要となり、また、砥石１１０，１２０のブレや振動を低減できる。なお、ワーク１００を揺動させた場合には、ワーク揺動のためのモータが必要であり、また、ワーク１００にブレや振動が生じることが懸念される。しかし、ワーク１００は、砥石１１０，１２０に比べて回転速度が非常に遅いため、ワーク回転用モータ２６は砥石回転のための第一、第二モータ２０，２２より小型・軽量であることが多く、また、ワーク１００そのもののサイズも砥石１１０に比べて小さいことが多い。そのため、砥石保持機構を揺動する場合に比して、ワーク保持機構を揺動する場合のほうが、揺動に要するパワーを小さく抑えることができる。

また、ワーク１００は砥石１１０，１２０に比べて回転速度が遅いため、揺動に起因するブレや振動の影響も小さくできる。つまり、砥石１１０，１２０ではなく、ワーク１００を揺動する構成とすることで、装置を大型化することなく大径の砥石１１０，１２０を用いることができ、ひいては、砥石１１０，１２０の寿命を長くできる。

また、本実施形態では、ワーク１００を、その表面が鉛直方向と平行になる姿勢で保持している。かかる構成とすることで、砥石１１０，１２０を大型化できる。これについて、図２２を参照して説明する。図２２は、従来のワーク加工装置１０の構成を示す概略図である。図２２に示すように、従来のワーク加工装置１０の多くは、ワーク１００を、その表面が水平方向になるような姿勢で保持していた。また、従来のワーク加工装置１０では、ワーク１００ではなく、砥石１１０を揺動して姿勢変更していた。

かかる従来の装置の場合、ワーク１００とベース面２００との間隔は、小さくなりがちであった。もちろん、ワーク１００を高い位置で保持することで、当該間隔を大きくすることは可能であるが、その場合、ワーク保持の安定性が低下する。したがって、ワーク１００と水平なベース面２００との間隔は、ある程度限られていた。この場合、ワーク１００の裏面を加工するためには、砥石１１０および当該砥石１１０を保持する砥石保持機構１２を、ワーク１００とベース面２００との隙間に入り込ませる必要がある。この場合に、大径の砥石１１０を用いると、砥石保持機構１２とベース面２００との干渉が生じてしまうため、従来のワーク加工装置１０では、比較的、小径の砥石１１０しか使用できなかった。

一方、本実施形態では、ワーク１００を、その表面が鉛直方向と平行になる姿勢で保持している。そのため、ワーク１００の裏面を加工する場合でも、砥石１１０，１２０を、ワーク１００と水平なベース面（図１の例では、Ｙ軸ベース４８）の間に潜り込ませる必要はない。その結果、大径の砥石１１０，１２０を使用しても、ベース面（Ｙ軸ベース４８）と砥石１１０，１２０との干渉を効果的に防止できる。そして、大径の砥石１１０，１２０が使用できることにより、砥石の寿命をより長くできる。

なお、ワーク１００を鉛直方向と平行に保持した場合、ワーク１００がチャック２４から離脱すると、ワーク１００が落下、破損するおそれがある。本実施形態では、こうしたワーク１００のチャック２４からの離脱を防止するために、図８に示すように、ワーク１００の表面側から加工し、ワーク１００の裏面側は、最後に加工するようにしている。すなわち、研削・研磨の際に、砥石１１０，１２０がワーク１００を押す力は、加工の初期段階において最も大きい。したがって、ワーク１００の裏面から研削・研磨した場合、初期段階において、ワーク１００の裏面から表面に向かう力（ワーク１００をチャック２４から離す方向の力）が大きくかかり、チャック２４からワーク１００の離脱を招く恐れがある。一方、本実施形態のように、ワーク１００の表面から研磨・研削を行い、最後にワーク１００の裏面の研磨・研削を行う構成とすれば、砥石がワーク１００の裏面を押す力を小さくすることができ、ワーク１００のチャック２４からの離脱を効果的に防止できる。

以上の説明から明らかな通り、本実施形態によれば、一つのワーク加工装置１０で、ワーク１００の外周１０２、オリエンテーションフラット１０４、ノッチ１０６の面取り加工を行うことができる。また、本実施形態では、砥石１１０，１２０ではなく、ワーク１００を揺動させているため、装置を大型化することなく砥石１１０，１２０の大径化が可能であり、砥石１１０，１２０の寿命を増加、ひいては、砥石１１０，１２０の交換頻度を低下できる。また、本実施形態では、ワーク１００を、その表面が鉛直方向に平行となる姿勢で保持している。そのため、砥石１１０，１２０をワーク１００とベース面との間に潜り込ませる必要がなく、砥石１１０，１２０の更なる大径化、ひいては、砥石１１０，１２０の寿命の更なる増加が可能となる。

次に、第二実施形態について図１５〜図１９を参照して説明する。図１５〜図１７は、第二実施形態のワーク加工装置１０の斜視図であり、図１５は、外周１０２のエッジを、図１６は、オリエンテーションフラット１０４のエッジを、図１７は、ノッチ１０６のエッジを面取り加工している様子を示している。また、図１８は、このワーク加工装置１０で用いる第一砥石１１０の概略斜視図であり、図１９は、ワーク１００および砥石１１０，１２０の姿勢関係を示すイメージ図である。

このワーク加工装置１０は、その外周面により面取り加工を行う円板状の砥石１１０，１２０を用いており、砥石保持機構１２の構成が第一実施形態と異なる。一方で、その他の構成は、第一実施形態とほぼ同じである。

具体的に説明すると、外周１０２およびオリエンテーションフラット１０４の面取り加工に用いられる第一砥石１１０は、図１８に示す通り、それぞれその外周面で面取り加工を行う二つの円板状の砥石要素１１２ａ，１１２ｂを有している。第一砥石１１０は、ベース部材１１４を挟んで両側に、同径の円板状の砥石要素１１２ａ，１１２ｂを配して構成されており、二つの砥石要素１１２ａ，１１２ｂは、同心かつ回転軸Ｒｔ１方向にずれて配されている。二つの砥石要素１１２ａ，１１２ｂのうち一つは、精密研削に用いられ、他の一つは粗研削に用いられる。こうした第一砥石１１０は、第一モータ２０の出力軸にナット等により固着され、第一モータ２０の駆動により回転する。第一モータ２０は、第一砥石１１０の回転軸Ｒｔ１が、水平に対して傾くような姿勢で、Ｘ軸移動部３４に載置されている。

ノッチ１０６の面取り加工に用いられる第二砥石１２０は、その外周面で面取り加工を行う円板状の砥石要素１１２を一つ有している。第二砥石１２０の周端の断面形状は、ノッチ１０６の谷部の仕上がり形状に応じた形状となっている。この第二砥石１２０は、第二モータ２２の出力軸にナット等により固着され、第二モータ２２の駆動により回転する。第二モータ２２は、第二砥石１２０の回転軸Ｒｔ２が、鉛直方向に平行（揺動軸Ｒｗ２に平行）になるような姿勢で、Ｘ軸移動部３４に載置されている。

かかる構成のワーク加工装置１０を用いて面取り加工を行う様子を説明する。ワーク１００の外周１０２の面取り加工を行う際には、第一砥石１１０およびワーク１００を回転させた状態で、図１５、図１９に示すように、第一砥石１１０の砥石要素１１２の外周面をワーク１００の外周１０２に当接させる。このとき、当接箇所において、砥石要素１１２の移動方向とワーク１００の板厚中心線Ｃｗとが所定の角度αを持つように、第一砥石１１０の回転軸Ｒｔ１を水平に対して傾けておく。かかる構成とすることで、ワーク１００の外周の端面に、面方向に対して所定の角度αを持った条痕が形成されることとなる。その結果、加工ひずみであるピットや亀裂を効果的に防止できる。なお、回転軸Ｒｔ１の傾き角度は特に限定されないが、当接箇所における砥石要素１１２の移動方向とワーク１００の回転方向とが成す角度αが１５度〜４５度となるような傾き角度とすることが望ましい。

ワーク１００の外周１０２の面取り加工を行う場合には、第一砥石１１０の回転軸Ｒｔ１を傾けた状態のまま、図８に示すように、ワーク１００を揺動軸Ｒｗ２回りに揺動させ、ワーク１００の表面側から順に研削する。そして、粗研削用の砥石要素１１２ｂでの研削が完了すれば、精密研削用の砥石要素１１２ａで研削を行う。

オリエンテーションフラット１０４の面取り加工を行う場合には、図１６に示すように、砥石のみを回転させた状態で、ワーク１００をＺ軸方向に移動させる。また、ワーク１００を揺動軸Ｒｗ２回りに揺動させて、ワーク１００と第一砥石１１０との相対的な姿勢関係を変化させ、所望の断面形状に研削する。

ノッチ１０６の面取り加工を行う場合には、図１７に示すように、第二砥石１２０を回転させた状態で、ワーク１００に当接させる。ノッチ１０６を面取り加工する際には、図１７に示すように、第二砥石１２０のみを回転させ、ワーク１００は、回転させない状態で、第二砥石１２０の周端面をノッチ１０６の端面に当接させる。このとき、直線移動機構を駆動して、第二砥石１２０を、ノッチ１０６の外形に沿って動かす。また、所望のエッジ断面形状が得られるように、揺動機構１６を駆動して、第二砥石１２０とワーク１００との相対的な姿勢関係を変更する。

以上の説明から明らかな通り、本実施形態のワーク加工装置１０でも、ワーク１００の外周１０２、オリエンテーションフラット１０４、ノッチ１０６の面取り加工を行うことができる。また、本実施形態でも、砥石１１０，１２０ではなく、ワーク１００を揺動させているため、装置を大型化することなく砥石１１０，１２０の大径化が可能であり、砥石１１０，１２０の寿命を増加、ひいては、砥石１１０，１２０の交換頻度を低下できる。また、本実施形態でも、ワーク１００を、鉛直方向に平行な姿勢で保持している。そのため、砥石をワーク１００とベース面との間に潜り込ませる必要がなく、砥石１１０，１２０の更なる大径化、ひいては、砥石の寿命の増加が可能となる。

なお、これまで説明した構成は一例であり、ワーク１００を、ワーク１００の表面と平行な揺動軸Ｒｗ２回りに揺動させるのであれば、その他の構成は適宜変更されてもよい。例えば、本実施形態では、ワーク１００を鉛直に保持しているが、ワーク１００は水平に保持されてもよい。また、本実施形態では、円形のワーク１００を加工する場合のみを例示したが、ワーク１００は、他の形状、例えば、長方形や正方形、楕円等でもよい。図２０、図２１は、長方形のワーク１００（例えばガラス基板等）を加工するワーク加工装置の一例を示す図である。矩形のワーク１００の外周エッジの面取り加工をする場合は、ワーク１００を、回転軸Ｒｗ１回りに回転させず、Ｚ軸方向にのみ移動させて砥石で研削する。また、必要に応じて、ワーク１００を揺動軸Ｒｗ２回りに揺動させて、所望のエッジ断面形状を得る。また、矩形のワーク１００のオリエンテーションフラット、ノッチの面取り加工を行う手順は、上述した第一、第二実施形態の装置での加工手順とほぼ同じとなる。なお、矩形のワーク１００が直線４辺で構成されており、４角を有する場合、４角のうち、１角を短い直線にした（１角を面取りした）ものをオリエンテーションフラットとしている。また、このような矩形のワーク１００を取り扱う場合、ワーク１００は、回転軸Ｒｗ１回りに回転できなくてもよい。ただし、実際には、矩形のワーク１００の４辺を順次、加工する場合が多く、加工する辺を順次切り替えるためには、ワーク１００の回転機構は、設けたほうが望ましい。また、本実施形態では、一つのワーク加工装置１０に、第一砥石１１０と第二砥石１２０とを設けているが、いずれか一方のみを有する構成としてもよい。

１０ワーク加工装置、１２砥石保持機構、１４ワーク保持機構、１６揺動機構、２０第一モータ、２２第二モータ、２４チャック、２６ワーク回転用モータ、２８ブラケット、３０揺動用モータ、３２Ｘ軸テーブル、３３Ｘ軸モータ、３４Ｘ軸移動部、３８Ｚ軸テーブル、３９Ｚ軸モータ、４０Ｚ軸移動部、４２Ｚ軸ベース、４４Ｙ軸テーブル、４６Ｙ軸移動部、４８Ｙ軸ベース、５０貫通孔、１００ワーク、１０２外周、１０４オリエンテーションフラット、１０６ノッチ、１１０第一砥石、１１２砥石要素、１１６軸直角端面、１２０第二砥石。

Claims

ワークを研磨または研削して面取り加工するワーク加工装置であって、
溝なしの砥石を保持するとともに、当該砥石を規定の砥石回転軸回りに回転させる砥石保持機構と、
前記ワークを保持するワーク保持機構と、
前記砥石保持機構とワーク保持機構とを相対的に直線移動させる直線移動機構と、
前記ワークを、前記ワークの表面と平行な揺動軸回りに揺動させることで、前記砥石に対する前記ワークの姿勢を変化させる揺動機構と、
を備えることを特徴とするワーク加工装置。
請求項１に記載のワーク加工装置であって、
前記ワーク保持機構は、前記ワークを、前記ワークの表面に直交するワーク回転軸回りに回転させるワーク回転機構を含む、ことを特徴とするワーク加工装置。
請求項１または２に記載のワーク加工装置であって、
前記ワーク保持機構は、前記ワークの表面が鉛直方向と平行になる姿勢で前記ワークを保持しており、
前記ワーク回転軸は、水平方向の軸であり、
前記揺動軸は、前記ワーク回転軸と交差する鉛直方向の軸である、
ことを特徴とするワーク加工装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載のワーク加工装置であって、
前記砥石は、１以上の砥石要素を同心に配して一部品化したものである、ことを特徴とするワーク加工装置。
請求項４に記載のワーク加工装置であって、
前記砥石要素は、所定の板厚を有する円筒として形成されその先端面により面取り加工を行うカップ型であり、
前記砥石回転軸は、前記揺動軸に対して垂直な方向に延び、
前記砥石要素の軸直角端面で、前記ワークを研削または研磨する、
ことを特徴とするワーク加工装置。
請求項５に記載のワーク加工装置であって、
前記砥石は、互いに径の異なる複数のカップ型の砥石要素をベース部材の一面に同心円状に固着して構成される、ことを特徴とするワーク加工装置。
請求項４に記載のワーク加工装置であって、
前記砥石要素は、その外周面により面取り加工を行う円板型砥石であり、
前記砥石回転軸は、前記ワークの表面に対して傾いており、
前記砥石要素の周端面で、前記ワークを研削または研磨する、
ことを特徴とするワーク加工装置。
請求項７に記載のワーク加工装置であって、
前記砥石は、互いに径が同じ複数の円板型の砥石要素を回転軸方向にずらしながら同心に配して構成される、ことを特徴とするワーク加工装置。
請求項１から８に記載のワーク加工装置であって、
前記ワーク保持機構は、前記ワークの裏面を吸引保持しており、
前記ワークのエッジ形状の加工は、前記ワークの表面側から行う、
ことを特徴とするワーク加工装置。