专利名称：精密加工设备和精密加工方法
技术领域：
本发明涉及一种用于加工物体的精密加工设备和精密加工方法，该物体需要被加工以使加工后的表面的形状/尺寸精度和平面度较高，该物体例如为硅片或磁盘基片。更具体地，本发明涉及一种能够通过运动量和逐步改变的恒压根据磨削阶段在例如用于使磨轮旋转的装置上执行切换控制来精确地执行磨削的精密加工设备和精密加工方法。
背景技术：
最近，在减小下一代功率器件的尺寸的同时，对减小该器件的能量损耗的需求在逐渐增加。这种需求的一个示例包括需要增加用于电子器件用途的半导体多层结构中的层数并增大半导体器件的组装密度。作为用于满足这种需求的措施的方法的示例包括一种用于将典型地为硅片的半导体晶片的厚度减小为非常小的值的方法；一种防止在加工后的表面和加工后的表面下的部分内出现位错和晶格应变的加工方法；以及这样一种加工方法，该方法可将表面粗糙度(Ra)减小到从亚纳米(nm)级至纳米(nm)级的范围内的值，并将加工后的表面的平面度减小到从亚微米(μm)级至微米(μm)级的范围或更低范围内的值。
在机动车工业中，作为机动车的功率器件的集成双极晶体管(IGBT)形成倒相器系统中的主要装置。希望通过改进使用IGBT的倒相器的性能以及通过减小倒相器的尺寸来进一步提高混合动力车的适销性。将构成IGBT的硅片的厚度减小到大约50μm至150μm的非常小的值，优选地80μm至140μm，更优选地为90μm至120μm，以减小开关损耗、稳态损耗和热损耗，这对于改进倒相器是必要的。此外，可通过在直径为200mm至400mm的圆形硅片的加工后的表面或在该加工后的表面附近的内部形成没有位错和晶格应变的理想表面，并通过将表面粗糙度(Ra)减小到从亚纳米级至纳米级的范围内的值和将平面度减小到从亚微米级至微米级的范围内的值，来提高在半导体上形成电极的加工步骤中的产量并增加半导体多层结构中的层数。
在当前条件的一般情况下，上述半导体加工过程需要这样的多步骤过程，该过程包括使用金刚石磨轮的粗磨、研磨、蚀刻和使用散布磨料的湿法化学机械抛光(湿法CMP)。由于在加工后的表面中会形成氧化层、位错和晶格应变，所以通过使用这种加工步骤的常规加工方法来获得理想表面是非常困难的。另外，通过常规方法加工的晶片的平面度较低，并且在加工期间或在形成电极之后会导致晶片内出现断裂，这会导致产量降低。此外，在常规加工方法中，随着晶片直径增大到200mm、300mm和400mm，使晶片厚度减小到非常小的值的难度越来越大。目前正在进行将直径为200mm的晶片的厚度减小到100μm级的研究。
考虑到常规技术中的上述问题，本发明的发明人公开了一种涉及精密表面加工机的发明，该精密表面加工机能够通过仅使用金刚石磨轮有效地连续执行从粗加工到包括最终延性模式加工的超精密表面加工的过程(日本专利公报(Kokai)No.2000-141207A)。
在这种使用金刚石磨轮的磨削中，三个必要的操作旋转磨轮、由支承该磨轮的主轴进给、以及定位待加工的物体很重要。精确地控制这些操作以便能够进行精密加工。在从粗加工到超精密加工的整个过程内通过使用一个设备连续地执行该过程尤其需要在上述基本操作的一个很宽范围内精确控制该主轴的进给。例如，在常规的磨削中，通常由使用伺服马达的系统控制该主轴。但是，该系统不适于在整个低压和高压范围内进行精确控制。该系统尤其不适于在其中执行超精密加工的低压范围内进行的加工。
因此，本发明的发明人公开了一种精密加工机，其中，使用伺服马达和超磁致伸缩致动器的组合执行压力控制。利用伺服马达和压电致动器在10gf/cm2或更高压力范围内执行控制，并利用超磁致伸缩致动器在0.01-10gf/cm2压力范围内执行控制。这样，可在从粗加工到超精密加工的整个过程中使用一个设备连续地执行该过程。在该精密加工机中，金刚石杯式磨轮的磨粒的大小比No.3000精细。
在日本专利公报(Kokai)No.2000-141207A公开的精密加工机内，可在从粗磨到超精密加工的整个过程中通过使用一个设备来连续地执行该过程，并且待精加工的表面可以极高的精度进行加工。但是存在这样的问题，即，当仅使用超磁致伸缩致动器执行超精密加工时，该超磁致伸缩致动器产生的热量会影响精密加工机的其它部件，并且这些部件可能因热量而被损坏。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的一个目的是提供一种精密加工设备和一种精密加工方法，其中，使基于磨轮或待磨削物体的运动量的控制和基于压力(恒压)的控制相结合，以实现有效的和高度精确的磨削。
本发明的另一个目的是提供一种精密加工设备和一种精密加工方法，其中，相对于加工阶段在不使用超磁致伸缩的致动器进行压力控制的条件下执行多级压力控制，从而能够在每个加工阶段中不需考虑发热问题的同时提高加工精度。
为了实现上述目标，根据本发明提供一种精密加工设备，该设备包括用于旋转待磨削的物体的旋转装置、支承该旋转装置的第一基座、用于旋转磨轮的旋转装置、支承用于旋转磨轮的旋转装置的第二基座、以及设置在第一基座和/或第二基座处的运动调节装置，该运动调节装置能够使其中一个基座朝另一个基座运动，其中，该运动调节装置包括物理地移动基座的第一运动调节部和向基座施加压力以使基座沿运动方向滑动的第二运动调节部，并且其中，可通过选择性地使用第一运动调节部和第二运动调节部分来控制基座和旋转装置的运动量。
本发明涉及一种精密加工设备，该精密加工设备能够通过在对待磨削的物体从粗磨到超精密磨削的整个过程内使用一个精密加工设备来连续地执行该过程。基座上安装有用于在保持待磨削的物体的同时使物体旋转的旋转装置和用于使磨轮旋转的旋转装置，该待磨削的物体的加工表面和磨轮表面彼此相对。待磨削的物体和磨轮定位成其轴线相互对齐。例如，使支承用于旋转待磨削的物体的旋转装置的第一基座固定，并且，在通过第一运动调节部和第二运动调节部根据加工阶段控制支承用于旋转磨轮的旋转装置的第二基座的运动量的同时，执行磨削。
第一运动调节部是基于被物理地移动的基座的运动量进行控制的机构。第二运动调节部是向基座施加恒压以使基座运动的恒压控制机构。为了有效地执行超精密磨削，在初始粗磨阶段，从磨削量、磨削效率以及其它因素的角度，优选地基于运动量来控制基座；在最终精加工阶段(超精密磨削阶段)优选地执行通过逐步改变压力的恒压控制的精加工。因此，本发明提供了具有第一运动调节部和第二运动调节部的精密加工设备，以通过使用上述一个设备执行连续的磨削。
在本发明的精密加工设备的另一实现模式中，第一运动调节部包括进给螺杆机构，其中，螺纹连接在进给螺杆上的螺母通过进给螺杆的旋转而被移动，第二运动调节部包括气动致动器或液压致动器。
例如这样的实现模式，即，其中支承用于旋转磨轮的旋转装置的第二基座朝待磨削的物体运动，构成所谓进给螺杆机构(第一运动调节部)的进给螺杆和螺母安装在第二基座上，并且合适的气动致动器或液压致动器(第二运动调节部)安装在第二基座上。此进给螺杆机构的螺母可移动地螺纹连接在进给螺杆上，该进给螺杆附装到伺服马达的输出轴并且安装在第二基座上，以便可控制该第二基座运动。可根据磨削阶段的需要选择进给螺杆机构和致动器。例如，在初始粗磨阶段选择该进给螺杆机构，然后使待磨削的物体的表面实现一定等级的表面粗糙度。通过根据螺母的合适的运动量将第二基座上的旋转装置(磨轮)移动到待磨削的物体处，来粗磨该待磨削的物体的表面。当完成对该待磨削物体表面的粗磨时，控制模式从基于运动量的控制转变为超精密磨削阶段中的恒压控制。在控制模式转变时，将要使用的磨轮更换为用于超精密磨削的磨轮。在超精密磨削阶段中，通过极少量的磨削来对待磨削物体表面进行精加工。在该磨削中，需要以恒压将磨轮压靠在待磨削的物体的表面上。根据本发明，使用气动致动器或液压致动器来实现该恒压控制。
本发明的精密加工设备可选择性地使用进给螺杆机构和气动或液压致动器，从而可通过在从粗磨到超精密磨削的整个过程中使用一个精密加工设备连续地执行该过程。由于在需要恒压控制的超精密磨削阶段中使用公知的气动或液压致动器，所以在该致动器操作时不会出现发热等问题，并且可以降低的成本制造该设备。
在本发明的精密加工设备的另一实现模式中，第二运动调节部包括压力性能彼此不同的多个气动致动器或液压致动器，并且可通过选择性地改变的压力来控制由第二运动调节部产生的基座和旋转装置的运动。
在超精密磨削阶段，需要通过执行调整以使对待磨削的物体的加工进入延性模式并通过逐渐减小压力来执行多级恒压磨削。
在本发明中，利用具有根据恒压磨削阶段的压力性能的致动器执行上述多级恒压磨削。例如，在需要10mgf/cm2至5000gf/cm2的压力控制的情况下，磨削过程分为在两个阶段中的磨削从10mf/cm2至300gf/cm2的低压范围内的磨削，和从300gf/cm2至5000gf/cm2的高压范围内的磨削，并且提供分别用于该压力范围内的两个致动器，以便可进行选择。
在本发明的精密加工设备的另一实现模式中，在旋转装置和第一基座之间或旋转装置与第二基座之间设有用于控制旋转装置的姿势的姿势控制器；该姿势控制器包括第一平板构件和第二平板构件，该第一平板构件在由X轴和Y轴限定的平面内延伸，该第二平板构件设置成与第一平板构件平行且与第一平板构件间隔开；在这两个平板构件的彼此相对的表面内形成有凹部；通过将球形件的部分配合在凹部内而将该球形件设置在第一平板构件和第二平板构件之间；在第一平板构件和第二平板构件之间设有可沿垂直于由X轴和Y轴限定的平面的Z轴方向伸展(即，伸缩)的第一致动器；可沿由X轴和Y轴限定的平面内的适当方向伸展的第二致动器连接在该第二平板构件上；第二平板构件与安放在其上的物体一起处于一种姿势，可相对于该第一平板构件运动。球形件通过可弹性变形的粘合剂粘结在第一平板构件和/或第二平板构件上；并且在第一致动器和第二致动器中的每一个内均设置有压电元件和超磁致伸缩元件。
第一平板构件和第二平板构件中的每一个均由强度足够高以支承安放在第二平板构件上的物体的重量的材料形成。优选地，该材料是非磁性的。该材料并不局限于一种特定材料。但是，可使用奥氏体不锈钢(SUS)。设置在第一平板构件和第二平板构件之间的球形件也由强度足够高以至少支承安放在第二平板构件上的物体的重量的材料形成。因此，根据所安放物体的设定重量而形成球形件的材料也可选自多种材料。球形件的材料的示例包括金属。凹部形成为第一平板构件和第二平板构件的将与该球形件相接触的部分。球形件设置在平板构件之间，并且该球形件的部分配合在凹部内。凹部的尺寸(深度、开口直径等)根据例如平板构件和球形件的尺寸以及所需的姿势控制精度而适当地调节。但是，在球形件的部分配合在这两个平板构件的凹部内的阶段，在第一平板构件和第二平板构件之间需要至少保持预定的间隔。该间隔设置为这样的值，即，可使得即使当通过对第二致动器的操作而使第二平板构件倾斜时，该第二平板构件也不会接触第一平板构件。
这两个平板构件的彼此相对的凹部部分的表面与球形件可通过粘合剂粘结。可使用在常温下具有弹性这一特性的合适的粘合剂作为该粘合剂。例如，可使用弹性环氧树脂粘合剂或任何其它弹性粘合剂。例如，可使用拉伸剪切强度为10-15Mpa、衰减系数为2-7Mpa·sec优选地为4.5Mpa·sec，以及弹簧常数为80-130GN/m优选地为100GN/m的粘合剂。粘合剂薄膜的厚度可设为约0.2毫米。可以设想这样的实现模式，其中，仅在第一平板构件和第二平板构件之一内形成凹部，该球形件的一部分配合在凹部内，并且凹部表面与球形件通过粘合剂粘结，以及可以设想其中在两个平板构件内均形成凹部的实现模式。
可以设想姿势控制器的这样的实现模式，其中，如俯视图中所示，球形件和两个第一致动器设置在第一平板构件和第二平板构件之间，并处于对应于在平面内自由选择的三角形的顶点的位置处。可设想本发明的这样一种实现模式，其中，第二致动器至少在第二平板构件的四个边缘中的一个处连接到该第二平板构件。如果至少使用这三个致动器，则第二平板构件与直接安放在其上的物体一起处于一定姿势，同时可相对于第一平板构件三维地移动。当第二平板构件移动时，从下方支承第二平板构件的球形件表面上的粘合剂发生弹性变形，以使第二平板构件基本不受限制地自由移动。
优选地，第一和第二致动器中的每一个均具有至少一个超磁致伸缩元件。该超磁致伸缩元件可由稀土金属例如镝或铽与铁或镍的合金制成。形式为杆的超磁致伸缩元件可在磁场的作用下伸展大约1-2μm，该磁场通过向围绕超磁致伸缩元件的线圈施加电流而产生。该超磁致伸缩元件具有这样的特性，即，可用在2kHz或更低的频率范围内，且具有微微秒(10-12秒)响应速度和大约15-25kJ/cm3的输出性能，例如比下述压电元件的输出性能高约20至50倍。另一方面，压电元件由锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O3)、钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)或类似物形成。该压电元件具有这样的特性，即，可用在10kHz或更高的频率范围内，且具有纳秒(10-9)响应速度。该压电元件的输出功率低于超磁致伸缩元件的输出功率，并且适用于在较轻的负荷范围内的高精度定位控制(姿势控制)。文中提到的压电元件还包括电致伸缩元件。
可设想这样一种实现模式，其中，在球形件的表面上用上述粘合剂形成薄膜，并且球形件和粘合剂薄膜分开以便可相对于彼此运动。粘合剂由上述可弹性变形的材料制成。例如，可在金属球形件的表面上形成由此粘合剂形成的薄膜。在本发明中，为了减小对第二平板构件的限制程度，球形件和该球形件的外周面上的粘合剂相互分离开。例如，在球形件的表面上形成石墨薄膜，并且在该石墨薄膜的外周面上形成由粘合剂形成的薄膜。粘合剂和石墨薄膜不会彼此粘在一起。该粘合剂和石墨薄膜被制成基本上彼此分离开。因此，当第二平板构件移动时，球形件可在固定位置在不受限制的状态下旋转，同时表面层中的粘合剂响应第二平板构件的变形而发生弹性变形，且不会被球形件限制。在本发明中，提供了用于实现第一平板构件的合适的平板构件、粘合剂和球形件(该球形件的表面上的薄膜)，该粘合剂粘结在第一平板构件上，而该球形件(或该球形件的表面上的薄膜)没有粘结在粘合剂上。减小对第二扁平板构件的运动的限制程度以实现对姿势控制器所要求的非常精确的实时运动。此外，由于对第二平板构件的限制程度接近无限制状态，所以与常规技术相比，第二平板构件运动时第二致动器所需的能量减少。
根据本发明，可根据负载的重量或磨削步骤的需要选择性地使用每个致动器内的超磁致伸缩元件和压电元件。因此，可在有效地降低仅使用超磁致伸缩元件的情况下产生的热量的影响并以高精度控制旋转装置的姿势的同时执行磨削。在使用姿势控制器适当地纠正彼此面对的旋转装置的轴线之间的偏差(不重合)的同时执行磨削。由于该超磁致伸缩元件和压电元件都具有高响应速度，所以在本发明中以这样的方式选择性地使用超磁致伸缩元件和压电元件，即，原则上使用压电元件，并在需要时使用超磁致伸缩元件。此外，始终检测轴线之间的微小偏差。检测到的微小偏差在计算机内通过数值处理进行处理，以作为必需的伸展量输入超磁致伸缩元件(超磁致伸缩致动器)和压电元件(压电致动器)中的每一个。
在本发明的精密加工设备的另一实现模式中，磨轮包括至少一CMG磨轮。
该CMG磨轮(粘合磨料)是在作为化学机械磨削(CMG)执行终磨时使用的磨轮。该方法仅用于执行使用CMG磨轮的磨削过程而不是常规技术中的包括蚀刻、研磨和抛光的多步骤过程。目前在进行对CMG方法的研发。在磨削时，在粗磨阶段使用金刚石磨轮，而在超精密磨削阶段使用CMG磨轮，从而选择性地使用磨轮。
根据本发明，还提供了一种使用精密加工设备的精密加工方法，该精密加工设备包括用于旋转待磨削的物体的旋转装置、支承该旋转装置的第一基座、用于旋转磨轮的旋转装置、支承用于旋转磨轮的旋转装置的第二基座、以及设置在第一基座和/或第二基座处的运动调节装置，该运动调节装置能够使其中一个基座朝另一个基座运动，该运动调节装置包括物理地移动基座的第一运动调节部和向基座施加压力以使基座沿运动方向滑动的第二运动调节部，并且可通过选择性地使用该第一运动调节部和第二运动调节部分来控制基座和旋转装置的运动量，该精密加工方法包括通过在待磨削的物体上执行粗磨以形成中间被磨削物体的第一步骤，和通过使用CMG磨轮磨削中间被磨削物体以形成最终被磨削物体的第二步骤，其中，在第一步骤内使用第一运动调节部调节旋转装置和基座的运动，在第二步骤内使用第二运动调节部调节旋转装置和基座的运动。
例如，在第一步骤内使用金刚石磨轮执行粗磨，在第二步骤内使用CMG磨轮执行超精密磨削。
用于执行第一步骤的第一运动调节部是例如上述的控制机构，该控制机构用于通过使用进给螺杆机构等使第二基座朝第一基座物理地移动一定量。
用于执行第二步骤的第二运动调节部是上述的用于分阶段执行恒压控制的机构。该机构使得可相对于每个压力阶段选择合适的气动或液压致动器。
从上文可理解，本发明的精密加工设备和精密加工方法可以通过选择性地执行以下控制，即，使用第一移动调整部分例如进给螺杆机构并基于运动量的控制，以及使用第二移动调整部分例如气动致动器或液压致动器的多步骤恒压控制，来连续地执行从粗磨到超精密磨削的过程，从而实现有效的和精确的磨削。在本发明的精密加工设备中，通过将球形件设置在两个平板构件之间而构成的姿势控制器在磨削期间在必要时纠正旋转装置的姿势，从而进一步提高磨削精度。此外，由于本发明的精密加工设备设置成在超精密磨削阶段中不使用超磁致伸缩致动器进行压力控制所以在每个磨削阶段中不需要考虑发热问题。
图1是本发明的精密加工设备的一个实施例的侧视图；
图2是运动调节装置的透视图；图3是沿图2中的线III-III的剖视图；图4是沿图2中的线IV-IV的剖视图；图5是姿势控制器的一个实施例的俯视图；图6是沿图5中的线VI-VI的剖视图；以及图7是沿图5中的线VII-VII的剖视图。
具体实施例方式
下面将参照
本发明的实施例。图1是本发明的精密加工设备的一个实施例的侧视图。图2是运动调节装置的透视图。图3是沿图2中的线III-III的剖视图。图4是沿图2中的线IV-IV的剖视图。图5是姿势控制器的一个实施例的俯视图。图6是沿图5中的线VI-VI的剖视图。图7是沿图5中的线VII-VII的剖视图。在所示的实施例中，使用气动致动器。但是，也可使用液压致动器。还可提供根据压力控制使用三个或更多致动器的设置。
图1示出精密加工设备1的一个实施例。该精密加工设备1主要由以下部件构成在通过真空吸引使物体a保持一种姿势的同时使待磨削的物体a旋转的旋转装置6a、支承该旋转装置6a的第一基座2、支承用于使磨轮b旋转的旋转装置6b的第二基座3、用于使第二基座3沿水平方向运动的运动调节装置，以及从下方支承第一和第二基座2和3的底座9。优选地，在粗磨阶段中使用金刚石磨轮作为磨轮b，而在超精密磨削阶段中使用CMG磨轮作为磨轮b。
姿势控制器7设置在第一基座2和旋转装置6a之间。运动调节装置由进给螺杆机构4和气动致动器5构成，进给螺杆机构4用于根据运动量控制第二基座3，气动致动器5用于压力控制第二基座3。进给螺杆机构4和气动致动器5连接到控制器8，并且可相对于磨削阶段的需要进行切换。使用位置检测传感器(未示出)始终检测待磨削的物体a和磨轮b的位置。下文所述的构成姿势控制器7的压电元件和超磁致伸缩元件根据检测出的位置信息而伸展，以适当地纠正旋转装置6a和6b的轴线之间的偏差。
在进给螺杆机构4中，螺母42可旋转地螺纹连接在附装到伺服马达43的输出轴的进给螺杆41上。螺母42附装到第二基座3上。此外，第二基座3可与螺母42分离开。
图2示出运动调节装置的细节。第二基座3形成为在侧视图中呈L形。该L形的一侧对应于旋转装置6a安装在其上的侧面，并且L形的另一侧对应于通过销件45接合到一板构件44的侧面。螺母42直接附装在板构件44上。
在与L形的该另一侧相对应的第二基座3的部分32内形成通孔，进给螺杆41松散配合(间隙配合)在该通孔内。气动致动器5a和5b在松散配合的进给螺杆41的左侧和右侧固定在第二基座3上。气动致动器5a和5b的压力性能彼此不同。例如，可假定气动致动器5a在较低压力范围内起作用，而假定气动致动器5b在较高压力范围内起作用。例如，在气动致动器5a中，活塞杆5a2可滑动地插置在缸体5a1内。
在作为磨削的初始阶段的粗磨阶段中，连接到螺母42的板构件44和第一基座3通过销件45连接。因此，螺母42根据伺服马达43的驱动而被移动一定量。第二基座3(安装在第二基座3上的旋转装置6b)随着螺母42的运动而被移动对应量。
在粗磨后的超精密磨削阶段中，取下销件45以使板构件44和第一基座3彼此脱离连接。在该状态下，驱动假定在高压范围内起作用的气动致动器5b。从而朝向第一基座2推动第二基座3，其中，板构件44被构成气动致动器5b的活塞杆5b2的一端挤压，即，板构件44具有抵抗气动致动器5b的反作用力。板构件44固定在螺纹连接到进给螺杆41的螺母42上。从而，板构件44能够具有足够大以推出第二基座3的反作用力。在超精密磨削中，选择气动致动器5a作为在高压范围内的分阶段恒压磨削之后使用的下一个致动器，以与在低压范围内的磨削相同的方式执行分阶段恒压磨削。
从作为沿图2中的线III-III的剖视图的图3中可理解，可在气动致动器5a和5b的活塞杆5a2和5b2之一接收板构件44的反作用力的同时，向前推动第二基座3。
从作为沿图2中的线IV-IV的剖视图的图4中可理解，第二基座3(部分32)和螺母42固定在其上的板构件44通过销件45、45可拆卸地相互接合在一起。
图5示出姿势控制器7的一个实施例，图6示出沿图5中的线VI-VI的剖视图。姿势控制器7具有在其顶部开放且由第一平板构件71和侧壁711构成的框架。该框架可由例如SUS材料制成。第二平板构件72设置在彼此相对的成对的侧壁711、711之间，第二致动器75、75设置在第二平板构件72和侧壁711之间。在第一平板构件71和第二平板构件72之间设有合适的间隔L。间隔L足够大以便即使当第二平板构件72倾斜时也可防止第一平板构件71和第二平板构件72相互干涉。在所示实施例中，在侧壁711和第二平板构件72之间设有多个弹簧77、77、......以及第二致动器75，以将第二平板构件72保持在X-Y平面内。
每个第二致动器75均由具有合适刚度的轴向件75c、超磁致伸缩元件75a和压电元件75b构成。超磁致伸缩元件75a通过将一线圈(未示出)围绕一元件安装而构成，并可通过使电流流过线圈而产生的磁场而伸展。也可通过向压电元件75b施加电压而使压电元件75b伸展。此外，可根据检测传感器(未示出)检测到的所安放物体(例如旋转装置等)的位置信息向超磁致伸缩元件75a或压电元件75b施加合适的电流或电压。可根据是否需要使第二平板构件72移动较大距离来相对于加工阶段选择性地操作超磁致伸缩元件75a和压电元件75b。与常规技术中相同，超磁致伸缩元件75a可由稀土金属例如镝或铽与铁或镍的合金制成。压电元件75b可由锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O3)、钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)或类似物制成。
在将姿势控制器7安装在例如第一基座2上的情况下，当要使第二平板构件72沿X-Y平面(水平方向)移动时，操作第二致动器75、75；当要使第二平板构件72沿Z方向(垂直方向)移动时，操作第一致动器76、76。与第二致动器75一样，每个第一致动器76均由具有合适刚度的轴向件76c、超磁致伸缩元件76a和压电元件76b构成。
第一平板构件71和第二平板构件72之间设有球形件73以及第一致动器76、76。图7详细示出该球形件73。
球形件73由球核73a以及薄膜73b构成，该球核73a例如由金属制成，该薄膜73b设置在球核73a的周面上并且例如由石墨形成。此外，在薄膜73b的外周面上形成由能够在常温下弹性变形的粘合剂74形成的薄膜。可将拉伸剪切强度为10-15Mpa、衰减系数为2-7Mpa·sec优选地为4.5Mpa·sec，以及弹簧常数为80-130GN/m优选地为100GN/m(弹性的基于环氧树脂的粘合剂)的粘合剂用作粘合剂74。粘合剂薄膜的厚度可设为约0.2毫米。
凹部71a和72a形成为将与球形件73相接触的第一平板构件71和第二平板构件72的部分。球形件73的部分配合在凹部71a和72a中以使球形件73定位。形成为球形件73的外周面上的薄膜的粘合剂74粘附在凹部21a和22a内的表面上，但是与球形件73(构成球形件73的薄膜73b)分开，从而球形件73可在粘合剂74的薄膜内自由旋转。
当在将旋转装置6a安放在第二平板构件72上的状态下通过操作第一致动器76和第二致动器75来控制该旋转装置6a的姿势时，由粘合剂74形成的薄膜弹性变形，以允许第二平板构件72进行三维的自由移动。此时，构成球形件73的球核73a支承旋转装置6a的重量并且仅在固定位置旋转，而不会限制其外周面上的粘合剂74的薄膜。球形件73的基本功能仅仅是支承旋转装置6a的重量，并且球形件73和粘合剂74不会相互粘在一起。因此，粘合剂74可根据第二平板构件72的移动自由地弹性变形而不会被球形件73限制。因此，第二平板构件72仅受到对应于粘合剂74的弹性变形中的反作用力的极少量的限制。
下面将说明使用上述精密加工设备1对待磨削的物体进行精密加工的方法。
在根据本发明的对待磨削的物体进行磨削的方法(精密加工方法)中，通过在从粗磨到最终超精密磨削的整个过程中仅使用精密加工设备1来连续地执行该过程。在利用进给螺杆机构4使第二基座3(旋转装置6b)移动预定量的同时，通过使用金刚石磨轮作为磨轮b在待磨削的物体上首先执行粗磨，从而形成中间被磨削物体(第一步骤)。在该粗磨阶段中，检测磨轮b和待磨削的物体a的位置。当磨轮b的轴线和待磨削的物体a的轴线之间出现偏差时，通过姿势控制器7对位置进行纠正。
此后，将磨轮b由金刚石磨轮换成CMG磨轮。然后操作气动致动器5b以朝向待磨削的物体a推动该CMG磨轮，同时在较高的压力范围内逐步改变恒压。在磨削的最后阶段内，选择气动致动器5a并在待磨削的物体a上执行终磨，同时也在低压范围内逐步改变恒压。另外，在该超精密磨削阶段中，始终检测磨轮b和待磨削的物体a的位置。当磨轮b的轴线和待磨削的物体a的轴线之间出现偏差时，通过姿势控制器7对位置进行纠正。通过上述CMG加工过程，可获得平面度为10-20nm/inch的顶端。
已参照附图详细说明了本发明的实施例。但是，本发明的具体结构并不局限于所述实施例。可在不脱离本发明要旨的情况下对设计等进行各种改变。本发明包含这些改变。
权利要求
1.一种精密加工设备，包括用于旋转待磨削的物体的旋转装置；支承该旋转装置的第一基座；用于旋转磨轮的旋转装置；支承该用于旋转磨轮的旋转装置的第二基座；以及设置在第一基座和/或第二基座处的运动调节装置，该运动调节装置能够使其中一个基座朝另一个基座运动，其中，该运动调节装置包括物理地使基座运动的第一运动调节部和向基座施加压力以使基座沿运动方向滑动的第二运动调节部，并且其中，可通过选择性地使用第一运动调节部和第二运动调节部来控制基座和旋转装置的运动量。
2.根据权利要求1所述的精密加工设备，其特征在于，第一运动调节部包括进给螺杆机构，其中螺纹连接在进给螺杆上的螺母通过进给螺杆的旋转而运动，并且第二运动调节部包括气动致动器或液压致动器。
3.根据权利要求1或2所述的精密加工设备，其特征在于，第二运动调节部包括压力性能彼此不同的多个气动致动器或液压致动器，并且可通过选择性地改变压力来控制由第二运动调节部产生的基座和旋转装置的运动。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的精密加工设备，其特征在于，该精密加工设备还包括设置在旋转装置和第一基座之间或旋转装置和第二基座之间的姿势控制器，该姿势控制器控制旋转装置的姿势，其中，该姿势控制器包括在由X轴和Y轴限定的平面内延伸的第一平板构件和与该第一平板构件平行设置且与该第一平板构件间隔开的第二平板构件；在这两个平板构件的彼此相对的表面内形成凹部；通过将一球形件的部分配合在凹部内而将该球形件设置在第一平板构件和第二平板构件之间；可沿垂直于由X轴和Y轴限定的平面的Z轴方向伸展的第一致动器设置在第一平板构件和第二平板构件之间；可沿由X轴和Y轴限定的平面内的适当方向伸展的第二致动器连接到第二平板构件上；第二平板构件与安放在第二平板构件上的物体一起处于一种姿势，可相对于第一平板构件运动；该球形件通过可弹性变形的粘合剂粘结在第一平板构件和/或第二平板构件上；并且，在第一致动器和第二致动器中的每个致动器内设置有压电元件和超磁致伸缩元件。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的精密加工设备，其特征在于，磨轮包括至少CMG磨轮。
6.一种使用精密加工设备的精密加工方法，该精密加工设备包括用于旋转待磨削的物体的旋转装置，支承该旋转装置的第一基座，用于旋转磨轮的旋转装置，支承该用于旋转磨轮的旋转装置的第二基座，以及设置在第一基座和/或第二基座处的运动调节装置，该运动调节装置能够使其中一个基座朝另一个基座运动，该运动调节装置包括物理地使基座运动的第一运动调节部和向基座施加压力以使基座沿运动方向滑动的第二运动调节部，可通过选择性地使用第一运动调节部和第二运动调节部来控制基座和旋转装置的运动量，该精密加工方法包括通过在待磨削的物体上进行粗磨以形成中间被磨削物体的第一步骤；以及通过使用CMG磨轮磨削该中间被磨削物体以形成最终被磨削物体的第二步骤，其中，在第一步骤内使用第一运动调节部来调节旋转装置和基座的运动，在第二步骤内使用第二运动调节部来调节旋转装置和基座的运动。
全文摘要
本发明涉及一种精密加工设备和一种精密加工方法，其能够根据磨削阶段通过运动量和逐步改变的恒压在例如用于使磨轮旋转的装置上执行切换控制以精确地进行磨削。致动器(5)和至少由进给螺杆(41)和螺母(42)构成的进给螺杆机构(4)附装在第二基座(3)上，该第二基座(3)支承用于使磨轮(b)旋转的旋转装置(6b)。在粗磨阶段，可通过螺母(42)的预定运动量来调节旋转装置(6b)和第二基座(3)的运动。在超精密磨削阶段，可通过逐步使用压力性能不同的多个气动致动器(5a，5b)的压力控制来调节旋转装置(6b)和第二基座(3)的运动。姿势控制器(7)设置在第一基座(2)和旋转装置(6a)之间，以使待磨削的物体a旋转。
文档编号B24B47/08GK1797256SQ20051009740
公开日2006年7月5日 申请日期2005年12月28日 优先权日2004年12月28日
发明者神谷纯生, 岩濑久雄, 永池哲也, 江田弘, 周立波 申请人:丰田自动车株式会社