JP4342012B2

JP4342012B2 - 平面研磨加工方法および装置

Info

Publication number: JP4342012B2
Application number: JP34284798A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　　誠; 幸男山口; 則之富川
Original assignee: Noritake Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd
Priority date: 1998-12-02
Filing date: 1998-12-02
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2018-12-02
Also published as: US6280296B1; DE19957797A1; JP2000158333A; DE19957797B4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークの一面を研磨定盤を用いて平坦に研磨するための平面研磨加工方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ワークの一面を平坦に研磨するために、回転する研磨定盤すなわちラップ盤の研磨加工面に対してワークを摺接状態で保持しつつ、その研磨定盤の回転軸心と平行な自転軸心まわりにそのワークを自転させる形式の平面研磨加工方法或いは平面研磨加工装置が知られている。一般に、このような形式の平面研磨加工方法或いは平面研磨加工装置では、被研磨加工面がたとえば数十センチ程度の辺或いは直径を備えるような大型のワークとなるほど、上記研磨定盤の研磨加工面に存在する砥粒のうちワークの周辺部を通過するものとワークの中心部を通過するものとの間でワークに対する研磨距離の差に起因する研磨能率の差が発生し、研磨を受けるワークの一面において、中央部が凸となる傾向が顕著となり、平坦度を達成でき難くなるという欠点があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これに対し、ワークを保持するためのワーク保持板の保持面において、そのワーク保持板の自転軸心の周囲に複数個のワークを保持させて研磨を行うようにした平面研磨加工方法或いは平面研磨加工装置が提案されている。この平面研磨加工方法或いは平面研磨加工装置によれば、自転軸心がワークの一面内に位置しないため、研磨後においてそのワークの一面の中央部が凸となるということは解消される。しかしながら、上記研磨を受けるワークの一面において自転軸心を中心として内周側よりも外周側の方が多くの研磨を受けるためにそのワークの一面が傾斜して研磨加工精度が得られ難くなるとともに、ワークの外径の２倍程度よりも十分に大きな径を有するワーク保持板を用いる必要があるために平面研磨定盤或いは平面研磨加工装置が大きなものとなり、加工費用および装置が高価となる。
【０００４】
本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、大型のワークであっても平坦度が得られ、しかも装置がそれ程大きくならない平面研磨加工方法および平面研磨加工装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための第１の手段】
上記目的を達成するための本発明方法の要旨とするところは、回転する研磨定盤の研磨加工面に対してワークを摺接状態で保持することによりそのワークの一面を平坦に研磨する平面研磨加工方法であって、(a) 前記研磨定盤の回転軸心に平行であって前記ワークの一面内に位置する自転軸心まわりにワークを自転させる自転工程と、(b) 前記研磨定盤の回転軸心に平行であって前記ワークの一面の外接円内に位置し且つ該研磨定盤の研磨加工面の内径と外径との間に位置する公転軸心を中心とした、該研磨加工面の内径と外径との間の領域内に位置する公転軌跡に沿って、前記ワークの自転と同じ回転方向で前記ワークの自転周期とは異なる周期で前記自転軸心を回転させる公転工程とを、含むことにある。
【０００６】
【課題を解決するための第２の手段】
また、上記発明方法を好適に実施するための平面研磨加工装置の要旨とするところは、回転する研磨定盤の研磨加工面に対してワークを摺接状態で保持することによりそのワークの一面を平坦に研磨する平面研磨加工装置であって、(a) 前記研磨定盤の回転軸心に平行であって前記ワークの一面内に位置する自転軸心まわりにワークを自転させるワーク自転駆動装置と、(b)前記研磨定盤の回転軸心に平行であって前記ワークの一面の外接円内に位置し且つ該研磨定盤の研磨加工面の内径と外径との間に位置する公転軸心を中心とした、該研磨加工面の内径と外径との間の領域内に位置する公転軌跡に沿って、前記ワークの自転と同じ回転方向で前記ワークの自転周期とは異なる周期で前記自転軸心を回転させるワーク公転駆動装置とを、含み、(c)前記研磨定盤は、その円環状の研磨加工面を上にした状態で垂直な軸心まわりに回転駆動されるものであり、(d)前記ワーク自転駆動装置は、前記ワークが下面に貼り付けられた状態で前記研磨加工面上に載置される円形のワーク保持部材の外周面に当接してそのワーク保持部材をその回転軸心まわりに回転可能に支持する複数のローラを備えたアーム部材と、その複数のローラの少なくとも一部を回転駆動することによりそのワーク保持部材をその回転軸心まわりに回転駆動する自転駆動モータとを、備えるものであり、(e)前記ワーク公転駆動装置は、位置固定のフレーム上において前記アーム部材を平行移動自在に支持するＸＹテーブルと、そのアーム部材を前記公転軸心まわりに回転駆動する公転駆動モータとを備えたものである。
【０００７】
【第１発明および第２発明の効果】
このようにすれば、研磨定盤の研磨加工面に対して摺接状態で保持されるワークが、自転工程或いはワーク自転駆動装置によって上記研磨定盤の回転軸心に平行であってそのワークの一面内に位置する自転軸心まわりに自転させられると同時に、公転工程或いはワーク公転駆動装置によって上記研磨定盤の回転軸心に平行であって前記ワークの一面の外接円内に位置し且つ該研磨定盤の研磨加工面の内径と外径との間に位置する公転軸心を中心とした、該研磨加工面の内径と外径との間の領域内に位置する公転軌跡に沿って、前記ワークの自転と同じ回転方向で前記ワークの自転周期とは異なる周期で前記自転軸心が公転させられる。このため、たとえ大型のワークであったとしてもワークの一面の中央部が凸となったり傾斜したりする傾向が上記公転により分散されて好適な平坦度および研磨加工精度が得られる。また、公転軸心がワークの外接円内に位置しているため、ワークの外径の２倍程以上のワーク保持板を用いる必要がなく研磨定盤および研磨装置が小型なものとなるので、研磨加工費用および装置が安価となる。また、自転周期および公転周期がずらされているので、ワークの一面における平坦度が一層高められる。
【０００９】
【発明の他の態様】
ここで、上記第１発明および第２発明において、好適には、前記ワークの公転軸心まわりの回転周期をＴ_B、そのワークの自転軸心まわりの回転周期をＴ_Aとしたとき、０．１≦Ｔ_B／Ｔ_A＜１、または１＜Ｔ_B／Ｔ_A≦１０となるように換言すれば０．１≦Ｔ_B／Ｔ_A≦１０かつＴ_B／Ｔ_A≠１となるようにワークの自転および公転が回転駆動される。さらに好適には、０．８≦Ｔ_B／Ｔ_A＜１、または１＜Ｔ_B／Ｔ_A≦１．２５となるように換言すれば０．８≦Ｔ_B／Ｔ_A≦１．２５かつＴ_B／Ｔ_A≠１となるようにワークの自転および公転が回転駆動される。このようにすれば、自転周期および公転周期が確実にずれるので、ワークの一面における平坦度が一層高められる。
【００１０】
また、好適には、前記自転軸心の公転軸心まわりの公転半径は、前記ワークの内接円の半径の５％以上に設定される。さらに好適には、上記公転半径は、上記ワークの内接円の半径以上であって外接円の半径以下の値に設定される。このようにすれば、ワークの一面における平坦度が一層高められる。
【００１２】
【発明の好適な実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１および図２は、本発明の一実施例の平面研磨加工装置１０の構成を示す図であって、図１は要部を説明するための平面図、図２は要部を説明するために一部を切り欠いた側面図である。
【００１３】
図１および図２において、フレーム（機枠）１２には、円板１４が軸受１６を介して略垂直な軸心まわりに回転可能に支持された状態で設けられており、その円板１４は、定盤駆動モータ１８により減速機２０を介して回転駆動される垂直な出力軸２２に連結されることにより回転駆動されるようになっている。上記円板１４の上には、内径Ｄ₁および外径Ｄ₂を有する平坦且つ円環状の研磨加工面（ラップ面、研磨平面）２４を備えた研磨定盤２６が固定されている。これにより、上記研磨加工面２４は、上記出力軸２２の回転軸心に直角な面内すなわち水平面内に位置させられ、上記定盤駆動モータ１８によって図３の矢印に示す方向へ回転駆動されるようになっている。上記研磨定盤２６は、平面研磨加工装置１０が遊離砥粒を用いて研磨する遊離砥粒型である場合には錫或いは銅などの軟質金属から構成され、平面研磨加工装置１０が固定砥粒を用いて研磨する固定砥粒型である場合にはたとえば特開平１０−２８６７５５号公報に記載された砥粒を含むラップ用砥石から構成される。
【００１４】
上記研磨定盤２６の周囲には、上記フレーム１２に支持された台板３０、矩形板状のワーク３２を下面に張り着けたワーク保持部材である円形の貼付板３４をその垂直な自転軸心Ａまわりに自転させるワーク自転駆動装置３６、そのワーク３２の自転軸心Ａをそれに平行な所定の公転軸心Ｂまわりに駆動してワーク３２を公転させるワーク公転駆動装置３８、短円筒状の修正リング４０をその垂直な自転軸心Ｃまわりに回転駆動する修正リング回転駆動装置４２とが設けられている。なお、上記自転軸心Ａおよび公転軸心Ｂは前記研磨定盤２６の回転軸心に平行となっている。また、図１の１点鎖線に示す位置は、必要に応じて他の貼付板３４が設けられる位置を示しており、図示しない上記と同様のワーク自転駆動装置およびワーク公転駆動装置によって自転および公転させられるようになっている。
【００１５】
図３および図４に詳しく示すように、ＸＹテーブル４６が、そのＸＹテーブル４６を互いに直交するＸ方向およびＹ方向に移動可能に支持するクロスローラ４８を介してフレーム１２上に設けられている。このＸＹテーブル４６には、外周側から研磨定盤２６の上に伸び且つ前記研磨加工面２４上に載置された貼付板３４の外周面に当接させるための１対のローラ５０、５２を備えたアーム部材５４が固定されており、それら１対のローラ５０および５２の一方を図３の矢印に示すように前記研磨定盤２６と同じ回転方向で回転駆動する自転駆動モータ５６がアーム部材５４に設けられている。それら１対のローラ５０、５２を備えたアーム部材５４および自転駆動モータ５６が、ワーク３２を下面に張り着けた貼付板３４をその垂直な自転軸心Ａまわりに自転させるための前記ワーク自転駆動装置３６を構成している。
【００１６】
また、小径ローラ６０を偏心した位置に備えた円板６２が出力軸６４に固定された公転駆動モータ６６が、その出力軸６４が下方に向かう状態となるように上記アーム部材５４に固定されており、フレーム１２上に固定されたプレート６８上であって上記アーム部材５４の下側に位置する部分には、上記小径ローラ６０が嵌め入れられる穴７０を備えてその小径ローラ６０の移動を阻止する係合部材７２が固定されている。これにより、公転駆動モータ６６が回転駆動されると、アーム部材５４は上記円板６２の中心から上記小径ローラ６０の中心までの距離Ｄを回転半径とする円運動が発生させられて、前記ワーク３２を下面に張り着けた貼付板３４の中心Ａが公転軸心Ｂを中心とした公転軌跡Ｋに沿って、図３の矢印に示すように前記研磨定盤２６と同じ回転方向で円運動させられる。すなわち、ワーク３２およびそれを下面に張り着けた貼付板３４が公転運動させられる。上記小径ローラ６０を偏心した位置に備えた円板６２が出力軸６４に固定された公転駆動モータ６６および係合部材７２が、ワーク３２を公転させるための前記ワーク公転駆動装置３８を構成しているのである。
【００１７】
ここで、上記ワーク３２を自転および公転させるためのワーク自転駆動装置３６およびワーク公転駆動装置３８は、上記貼着板３４すなわちその下面に貼り着けられたワーク３２の公転軸心Ｂまわりの回転周期をＴ_B、そのワーク３２の自転軸心Ａまわりの回転周期をＴ_Aとしたとき、０．１≦Ｔ_B／Ｔ_A＜１、または１＜Ｔ_B／Ｔ_A≦１０となるように換言すれば０．１≦Ｔ_B／Ｔ_A≦１０かつＴ_B／Ｔ_A≠１となるように、さらに好適には、０．８≦Ｔ_B／Ｔ_A＜１、または１＜Ｔ_B／Ｔ_A≦１．２５となるように換言すれば０．８≦Ｔ_B／Ｔ_A≦１．２５かつＴ_B／Ｔ_A≠１となるように、構成されている。
【００１８】
また、自転軸心Ａはワーク３２の内接円Ｎ内に位置させられており、その自転軸心Ａの公転軸心Ｂまわりの公転半径Ｒ_Bがワーク３２の内接円Ｎの半径Ｒ_Nの５％以上となるように、さらに好適には、上記公転半径Ｒ_Bがワークの内接円Ｎの半径Ｒ_N以上であって外接円Ｇの半径Ｒ_G以下の値に設定されている。また、公転軸心Ｂは、前記研磨定盤２６の研磨加工面２４の内径と外径との間に位置し、且つその研磨加工面２４の内径Ｄ₁は、ワーク３２の公転径２Ｒ_Bよりも大きい値となるように設定されている。
【００１９】
次に、上記のようにして構成された平面研磨加工装置１０の研磨作動を説明する。先ず、研磨定盤２６が回転駆動され且つ図示しない研磨液供給装置から研磨液が研磨定盤２６上に供給される。必要に応じてその研磨液と共に遊離砥粒も供給される。次いで、前記修正リング４０が研磨定盤２６上に載置されて修正リング回転駆動装置４２により研磨定盤２６と同じ回転方向に回転させられる。また、ワーク３２が下面に貼り着けられることによりそのワーク３２が保持された貼着板３４が研磨定盤２６上に載置されて、図３に示すように、ワーク自転駆動装置３６により研磨定盤２６と同じ回転方向にワーク３２が自転させられる（自転工程）と同時に、ワーク公転駆動装置３８により研磨定盤２６と同じ回転方向にワーク３２が公転させられる（公転工程）。そして、予め設定された研磨時間の間その研磨状態が維持されることにより、ワーク３２の研磨が行われる。
【００２０】
上述のように、本実施例によれば、研磨定盤２６の研磨加工面２４に対して摺接状態で保持されるワーク３２が、上記自転工程或いはワーク自転駆動装置３６によって上記研磨定盤２６の回転軸心に平行であってそのワーク３２の一面内に位置する自転軸心Ａまわりに自転させられると同時に、上記公転工程或いはワーク公転駆動装置３８によって上記研磨定盤２６の回転軸心に平行であってワーク３２の一面の外接円内に位置する公転軸心Ｂまわりに公転させられるので、たとえワーク３２が大型であったとしてもワーク３２の一面（被研磨面）の中央部が凸となったり傾斜したりする傾向が上記公転により分散されて好適な平坦度および研磨加工精度が得られる。また、公転軸心Ｂがワーク３２の外接円内に位置しているため、ワーク３２の外径の２倍程以上の貼着板（ワーク保持板）３４を用いる必要がなく研磨定盤２６および平面研磨加工装置１０が小型なものとなるので、研磨加工費用および装置が安価となる。
【００２１】
また、本実施例によれば、研磨定盤２６の回転、ワーク３２の自転、およびそのワーク３２の公転は同じ回転方向に設定されていることから、ワーク３２の一面（被研磨面）において、研磨定盤２６の研磨加工面２４の外周側に位置したときの研磨速度と内周側に位置したときの研磨速度の差が緩和されるので、ワーク３２の一面における平坦度が一層高められる。
【００２２】
また、本実施例によれば、ワーク３２の公転軸心Ｂまわりの回転周期をＴ_B、そのワーク３２の自転軸心まわりの回転周期をＴ_Aとしたとき、０．１≦Ｔ_B／Ｔ_A ＜１、または１＜Ｔ_B／Ｔ_A≦１０となるように換言すれば０．１≦Ｔ_B／Ｔ_A≦１０かつＴ_B／Ｔ_A≠１となるように、さらに好適には、０．８≦Ｔ_B／Ｔ_A ＜１、または１＜Ｔ_B／Ｔ_A≦１．２５となるように換言すれば０．８≦Ｔ_B／Ｔ_A≦１．２５かつＴ_B／Ｔ_A≠１となるように、ワーク３２の自転および公転が行われることから、ワーク３２の自転周期および公転周期が相互に確実にずれるので、ワーク３２の一面における平坦度が一層高められる。
【００２３】
また、本実施例によれば、自転軸心Ａの公転軸心Ｂまわりの公転半径Ｒ_Bは、ワーク３２の内接円Ｎの半径Ｒ_Nの５％以上の値に、さらに好適には、上記公転半径Ｒ_Bは、上記ワーク３２の内接円Ｎの半径Ｒ_N以上であって外接円Ｇの半径Ｒ_G以下の値に設定されるので、ワーク３２の一面における平坦度が一層高められる。
【００２４】
また、本実施例によれば、公転軸心Ｂは、研磨定盤２６の研磨加工面２４の内径Ｄ₁と外径Ｄ₂との間に位置し、且つその研磨加工面２４の内径Ｄ₁は、ワーク３２の公転径２Ｒ_Bよりも大きい値に設定されていることから、ワーク３２の自転軸心Ａが研磨定盤２６の研磨加工面２４の内周縁よりも内側へ或いは外周縁よりも外側へ外れないので、研磨品質が維持されるとともに、ワーク３２が上記の公転によって研磨加工面２４の内側へ移動してもその移動量は研磨加工面２４の内径Ｄ₁よりも小さくされていてワーク３２が研磨加工面２４の回転軸心を越えた反対側の研磨加工面２４に接触することがない利点がある。
【００２５】
因みに、図５は、ワーク３２を自転させつつ研磨定盤２６の径方向に往復運動させた場合の被研磨面を説明するための図であって、(a) は上記研磨前の表面形状を、(b) は研磨後の表面形状を示している。これに対し、図６は、前述の実施例と同様に、ワーク３２を自転させつつ公転運動させた場合の被研磨面を説明するための図であって、(a) は上記研磨前の表面形状を、(b) は研磨後の表面形状を示している。上図から明らかなように、研磨加工中におけるワーク３２の公転運動により、ワーク３２の中凸形状が好適に解消されている。
【００２６】
以上、本発明の一実施例を図面を用いて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。
【００２７】
たとえば、前述の実施例のワーク３２は矩形板状であったが、円板状であっても差し支えない。
【００２８】
また、前述の実施例のワーク公転駆動装置３８において、ワーク３２を公転させる機構は、空圧シリンダ或いは油圧シリンダなどの複数の往復アクチュエータを用いて合成運動させることにより、上記ワーク３２を円若しくは楕円運動させるものであってもよい。
【００２９】
また、前述の実施例のワーク自転駆動装置３６およびワーク公転駆動装置３８により、ワーク３２が研磨定盤２６と同じ回転方向で自転或いは公転させられるようになっていたが、研磨定盤２６の内周側およびが外周側の周速差が問題とならない場合には、ワーク３２は必ずしも研磨定盤２６と同じ回転方向で自転或いは公転させられなくてもよい。
【００３０】
また、前述の実施例において、ワーク３２は貼着板３４の下面に貼り付けられることにより保持されていたが、凹嵌部に嵌め入れられるなどの他の保持機構が用いられてもよいし、ワーク３２に荷重を掛けるためのウエイトが上記貼着板３４の上面に載置されてもよい。
【００３１】
なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲において種々の変更が加えられ得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の平面研磨加工装置を示す平面図である。
【図２】図１の平面研磨加工装置を示す正面図である。
【図３】図１の平面研磨加工装置の要部を拡大して説明する平面図である。
【図４】図１の平面研磨加工装置において、ワーク自転駆動装置およびワーク公転駆動装置を示す側面図である。
【図５】ワークを自転させつつ研磨定盤２６の径方向に往復運動させた場合の被研磨面を説明するための図であって、(a) は上記研磨前の表面形状を、(b) は研磨後の表面形状を示している。
【図６】図１の平面研磨加工装置を用いて、ワークを自転させつつ公転運動させた場合の被研磨面を説明するための図であって、(a) は上記研磨前の表面形状を、(b) は研磨後の表面形状を示している。
【符号の説明】
１０：平面研磨加工装置
２４：研磨加工面
２６：研磨定盤
３２：ワーク
３６：ワーク自転駆動装置
３８：ワーク公転駆動装置
Ａ：自転軸心
Ｂ：公転軸心

Claims

回転する研磨定盤の研磨加工面に対してワークを摺接状態で保持することにより該ワークの一面を平坦に研磨する平面研磨加工方法であって、
前記研磨定盤の回転軸心に平行であって前記ワークの一面内に位置する自転軸心まわりにワークを自転させる自転工程と、
前記研磨定盤の回転軸心に平行であって前記ワークの一面の外接円内に位置し且つ該研磨定盤の研磨加工面の内径と外径との間に位置する公転軸心を中心とした、該研磨加工面の内径と外径との間の領域内に位置する公転軌跡に沿って、前記ワークの自転と同じ回転方向で前記ワークの自転周期とは異なる周期で前記自転軸心を回転させる公転工程と
を、含むことを特徴とする平面研磨加工方法。
前記ワークの前記自転軸心まわりの回転周期をＴ_Ａ、該ワークの前記公転軸心まわりの回転周期をＴ_Ｂとしたとき、０．１≦Ｔ_Ｂ／Ｔ_Ａ＜１、または１＜Ｔ_Ｂ／Ｔ_Ａ≦１０である請求項１の平面研磨加工方法。
前記自転軸心の公転軸心まわりの公転半径Ｒ_Ｂは、前記ワークの内接円の半径Ｒ_Ｎの５％以上である請求項１または２のいずれかの平面研磨加工方法。
回転する研磨定盤の研磨加工面に対してワークを摺接状態で保持することにより該ワークの一面を平坦に研磨する平面研磨加工装置であって、
前記研磨定盤の回転軸心に平行であって前記ワークの一面内に位置する自転軸心まわりにワークを自転させるワーク自転駆動装置と、
前記研磨定盤の回転軸心に平行であって前記ワークの一面の外接円内に位置し且つ該研磨定盤の研磨加工面の内径と外径との間に位置する公転軸心を中心とした、該研磨加工面の内径と外径との間の領域内に位置する公転軌跡に沿って、前記ワークの自転と同じ回転方向で前記ワークの自転周期とは異なる周期で前記自転軸心を回転させるワーク公転駆動装置とを、含み、
前記研磨定盤は、その円環状の研磨加工面を上にした状態で垂直な軸心まわりに回転駆動されるものであり、
前記ワーク自転駆動装置は、前記ワークが下面に貼り付けられた状態で前記研磨加工面上に載置される円形のワーク保持部材の外周面に当接して該ワーク保持部材をその回転軸心まわりに回転可能に支持する複数のローラを備えたアーム部材と、該複数のローラの少なくとも一部を回転駆動することにより該ワーク保持部材をその回転軸心まわりに回転駆動する自転駆動モータとを、備えるものであり、
前記ワーク公転駆動装置は、位置固定のフレーム上において前記アーム部材を平行移動自在に支持するＸＹテーブルと、該アーム部材を前記公転軸心まわりに回転駆動する公転駆動モータとを備えたものであることを特徴とする平面研磨加工装置。