JP2014046530A - カッターホイール並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ダイヤモンド焼結体を素材として使用するものでありながら、鋭角な刃先や幅狭の凸条刃先の表面に、ダイヤモンド粒子の脱落による凹凸が発生することなく製造することができ、切れ味のよいカッターホイール並びにその製造方法を提供する。
【解決手段】 導電性ダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド焼結体からなる円盤状のディスク体２の外周面に、ワイヤカット放電加工または形彫り放電加工により鋭角な刃先角度を有する刃先３、または幅狭な凸状の刃先４が形成されるように構成する。
【選択図】図８

Description

本発明は、セラミック基板やガラス基板等の脆性材料基板にスクライブライン（切り溝）を加工したり、分断したりする際に使用されるカッターホイール（スクライビングホイールともいう）並びにその製造方法に関する。

アルミナ、ＨＴＣＣまたはＬＴＣＣ等のセラミック基板やガラス基板等の脆性材料基板を分断する加工では、カッターホイールを用いたり、レーザービームを照射したりして、基板表面に機械的或いは熱的にスクライブラインを形成し、その後、基板を反転してスクライブラインに沿って裏面側からブレイクバーによって外力を印加し、基板を撓ませることにより基板をブレイクして分断する方法が一般的に知られており、例えば、特許文献１で開示されている。

加工対象となる基板には各種のものがあり、基板の表面に突部が形成された状態で分断しなければならない場合がある。このような基板としては、基板自体に突部が形成されている場合の他に、例えば、図９の斜視図、または、図１０の一部拡大断面図に示すように、樹脂製キャップやシート等の突起物が固着された状態で分断されるセラミック積層マザー基板がある。
このようなマザー基板Ｗは、アルミナセラミックやＬＴＣＣ等の基板１１上に、デバイスＤが埋め込まれ、これらデバイスＤの上にシリコーン樹脂製のシート面１２とキャップ（突部）１３とが一体に形成された被覆層１４が積層されており、これによりデバイスＤを封止してある。また、被覆層１４はキャップ部を有さず、樹脂等のシート面のみからなる場合もある。隣接する被覆層１４の間隔Ｌ１は、一般的には０．０６ｍｍ〜１ｍｍ程度の幅にしてあり、被覆層１４の厚さＬ２は０．０３ｍｍ〜２ｍｍ程度である。

このマザー基板Ｗに、カッターホイールでスクライブラインＳを加工する場合、隣接する被覆層１４間の幅の狭い間隔内にカッターホイールの刃先を入れるには、図１１（ａ）に示すように、刃先角度を鋭く尖らせた鋭角な刃先１５ａとするか、或いは図１１（ｂ）に示すように、刃先稜線部に前記間隔Ｌ１に嵌まり込む幅狭の凸条刃先１５ｂをカッターホイール１５に形成することが要求される。

通常、耐摩耗性や研削性などの工具特性が要求される一般工具では、これらの工具特性に優れた材料である超硬合金や工具鋼等が用いられることが多い。脆性材料基板のスクライブ加工に用いられるカッターホイールについても、超硬合金が広く用いられているが、カッターホイール自体が例えば直径約１ｍｍ〜６ｍｍと非常に小さく、圧接状態で連続して反復使用されるため、刃先の使用環境は劣悪である。そのため、刃先の摩耗や刃こぼれなどの損傷が生じやすく、カッターホイールにはできる限り工具特性に優れた材料が求められる。

耐摩耗性や研削性等の工具特性に特に優れた材料として、焼結ダイヤモンド（ＰＣＤ）が知られている。ＰＣＤは、微細なダイヤモンド粒子を、コバルト（Ｃｏ）を媒体として高温高圧下で焼結して形成された材料であり、主に難加工材用の切削工具に利用されているが、カッターホイールにも適した材料である。本出願人も、このＰＣＤを材料としたカッターホイールの製造について特許文献２で開示している。

特許第３７８７４８９号公報 特開２０１１−９３１８９号公報

ＰＣＤは、含有する約１０％程度のコバルト媒体によって導電性を有するため、放電加工が可能である。ＰＣＤ材料から切削工具を製作するにあたっては、ワイヤカット放電加工を利用してＰＣＤ材料から所定寸法の切削工具を切り出し、砥石による研磨加工で仕上げを行っている。特許文献２では、これまで、ワイヤ放電加工とその後の研磨加工とによって、刃先角度が７５度〜１７０度、特に刃先角度が鈍角である９０度〜１５０度程度であるＰＣＤ製のカッターホイールを製造することが記載されている。

ところで、上記文献によれば、刃先角度が７５度〜９０度程度の鋭角にしたカッターホイールについてもＰＣＤで製造することが記載されているが、実用に際しては品質上の問題点があることが判明した。
すなわち、カッターホイールをＰＣＤの放電加工で製造した場合、図１２に示すように、刃先１５ａ、１５ｂの先端部分でダイヤモンド粒子ｇが部分的に脱落し、表面に微細な凹凸が形成される現象が生じた。刃先角度が鈍角である場合には、表面の微細な凹凸は放電加工後に刃先を研磨することで改善することができる。一方、刃先がさらに鋭角になると、ダイヤモンド粒子の脱落により刃先の強度の低下が顕著になり、研磨加工も困難になる。そのため、図１１に示したような突部を有する基板に対して用いる場合の刃先角度は、例えば３０度〜７５度程度の鋭角にする必要があることになるが、カッターホイールの材料としてＰＣＤを用いた場合には、表面の微細な凹凸が少なくかつ強度が高い高品質な刃先を形成することが困難になる。
また、幅狭の凸条刃先の場合でも、ダイヤモンド粒子が部分的に脱落して表面に凹凸が形成される。表面に凹凸が形成されると、凸条刃先が幅狭になるにつれて、切れ味や強度が著しく劣化することとなり、高品質のカッターホイールを製作することが困難になる。

そこで本発明は、上記のような課題に鑑み、ダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ）を素材として使用するものでありながら、刃先角度が９０度未満の鋭角な刃先を有するカッターホイールや、幅狭の凸条刃先を有するカッターホイールを、刃先表面にダイヤモンド粒子の脱落による凹凸が発生することなく製造することができ、切れ味がよい状態で使用できるようにしたカッターホイール及び製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明では次のような技術的手段を講じた。すなわち本発明のカッターホイールは、導電性ダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド焼結体からなる円盤状のディスク体の外周面に、ワイヤカット放電加工手段または形彫り放電加工手段により鋭角な刃先角度を有する刃先、または幅狭な凸状の刃先が形成されている構成とした。
ここで、ダイヤモンド粒子に導電性を付与するために、ダイヤモンド粒子にボロン等の導電性不純物をドープすることが一般的に行われている。
本発明を完成する前提として、発明者らは９０度未満の鋭角刃先でのダイヤモンド粒子の脱落が、放電加工時における放電の不安定さに起因することを見いだした。そこで、刃先に対する放電加工を安定させることを検討した。すなわち、通常のＰＣＤは、組成中の約９０％を占めるダイヤモンド粒子自体が非導電性であることから、放電加工では抵抗成分となる。また、電気抵抗が１ｋΩ〜１ＭΩと比較的高く、同じ材料であっても測定箇所によりその電気抵抗のばらつきは大きくなる。その結果、結合剤であるコバルトが表面に現れた部分でのみ放電加工が行われ、加工されないダイヤモンド粒子が脱落する。さらに、加工時の放電安定性や加工能率を劣化させることになる。そこで、ダイヤモンド粒子中にボロン等の導電性不純物をドープして、ダイヤモンド粒子自体にも導電性を持たせたＰＣＤをカッターホイール用の材料に用いて、放電加工を行うようにした。

また、本発明のカッターホイールの製造方法は、導電性不純物をドープした導電性ダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド焼結体からなる板状材料から円盤状のディスク体を切り出し、このディスク体の外周面に、ワイヤカット放電加工または形彫り放電加工により鋭角な刃先角度を有する刃先、または幅狭な凸状の刃先を加工するようにした。

ここで、鋭角な刃先の角度は、３０度〜７５度未満としてもよい。また、凸状の刃先は、その幅が０．０４ｍｍ〜１ｍｍで、高さが０．０５ｍｍ〜２ｍｍの範囲としてもよい。このような刃先とすることにより、図９、図１０に示したような一般的なセラミック積層基板の加工に適したカッターホイールにすることができる。

本発明によれば、カッターホイールの母体となるディスク体が導電性ダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド焼結体で形成されているため、放電加工時の抵抗値を下げることができ、安定した放電加工が行えるようになる。そして、ダイヤモンド粒子自体が導電性を備えているので、ワイヤカット放電加工や形彫り放電加工により粒子自体を放電加工することが可能となる。このため、鋭く尖った鋭角な刃先や、幅狭の凸状刃先を、ダイヤモンド粒子が仕上げ面から脱落することなく高精度で加工することができ、切れ味のよい高品質なカッターホイールを提供することができる。

本発明に係るカッターホイールを示す正面図。 カッターホイールの鋭角な刃先をワイヤカット放電加工で加工する方法の一例を示す説明図。 カッターホイールの鋭角な刃先をワイヤカット放電加工で加工する方法の別例を示す説明図。 カッターホイールの凸状刃先をワイヤカット放電加工で加工する方法の一例を示す説明図。 カッターホイールの鋭角な刃先を形彫り放電加工で加工する方法の一例を示す説明図。 カッターホイールの鋭角な刃先を形彫り放電加工で加工する方法の別例を示す説明図。 カッターホイールの凸状刃先を形彫り放電加工で加工する方法の一例を示す説明図。 放電加工で加工されたカッターホイールの刃先部分を示す拡大図。 マザー基板の一例を示す斜視図。 図９の一部拡大断面図。 図９のマザー基板をカッターホイールでスクライブする際の断面図。 ＰＣＤからなるカッターホイールに鋭角な刃先及び幅狭な凸状刃先を加工した場合の拡大断面図。 本発明に係るカッターホイールの他の変形例を示す正面図。

以下において、本発明のカッターホイール並びにその製造方法について図に基づき詳細に説明する。ここではＬＥＤ用マザー基板のスクライブに最適なカッターホイールを例に説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明に係るカッターホイールを示す。
図１（ａ）に示すカッターホイール１Ａは、導電性ダイヤモンド焼結体からなる円盤状のディスク体２の円周面に、後述するワイヤカット放電加工または形彫り放電加工により斜面と稜線とを有し、鋭角な刃先角度を有する刃先３が形成されている。刃先３の先端角度αは、例えば、図１０に示したＬＥＤ用マザー基板Ｗのスクライブ部分の間隔Ｌ１に挿入可能となる鋭突な角度で形成される。具体的には、例えば３０度〜７５度程度の角度で形成される。

図１（ｂ）に示すカッターホイール１Ｂは、図１（ａ）と同様に、導電性ダイヤモンド焼結体からなる円盤状のディスク体２の円周面に、ワイヤカット放電加工手段または形彫り放電加工手段により幅狭の凸状刃先４が形成されている。凸状刃先４の幅Ｄ１は、上記同様マザー基板Ｗのスクライブ部分の間隔Ｌ１に挿入可能となるよう幅０．０４ｍｍ〜１ｍｍで形成され、高さＨは０．０５ｍｍ〜２ｍｍで形成される。尚、凸状刃先４の先端は、その中央部が尖った形状で形成されており、その先端の刃先角度は例えば９０度〜１５０度とされている。

ディスク体２の材料となるダイヤモンド焼結体は、例えば、ボロンをドープしたダイヤモンド粒子とコバルト等の結合剤及びその他の添加物を高温高圧下で焼結することによって製造することができる。また、導電性ダイヤモンド粒子は高純度グラファイト若しくは非晶質の炭素粒子に、ボロンをドープして高圧高温下で焼結することにより製造することができる。ダイヤモンド焼結体の導電率はドープ量に依存するが、導電率を大きくすることにより、放電加工時の放電が安定しやすくなり、しかも放電加工条件値を低くしたり、放電加工の効率を高くしたりすることができる。ダイヤモンド焼結体の電気抵抗率は、例えば１〜３０Ωｍ程度のものが好ましい。また、ダイヤモンド粒子自体が導電性を有するため、ディスク体における電気抵抗率のばらつきがほぼなくなることから、より均一で精密な加工を行うことが可能となる。さらに、ダイヤモンド粒子自体を加工することができるため、ダイヤモンド粒子の粒径に関わらず、ダイヤモンド粒子の脱落による凹凸がなく、表面粗さを一定にすることができるとともに、ダイヤモンド粒径が比較的大きいため従来は放電加工が困難であったＰＣＤをも容易に加工することができる。

図２は、カッターホイール１Ａの刃先３をワイヤカット放電加工で加工する方法の一例を示す。この方法では、図２（ａ）に示すように、導電性ダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド焼結体で作られた円盤状のディスク体２を回転軸５で回転させながら、形成する刃先の一方の斜面に沿ったラインＰ１に沿ってワイヤ電極６を移行させて、刃先の一方の斜面３ａを加工する。
次いで図２（ｂ）に示すように、ワイヤ電極６を、形成する刃先の反対側の斜面に沿ったラインＰ２に沿って移行させて、刃先の反対側の斜面３ｂを加工する。これにより、図２（ｃ）に示す鋭角な刃先角度を有する刃先３を加工する。

ワイヤカット放電加工による刃先３の加工は、図３に示すように、回転するディスク体２に対して、形成する刃先の斜面にワイヤ電極６を平行に配置して、図３（ａ）に示すように一方の斜面３ａを加工した後、図３（ｂ）に示すように、ディスク体２を反転させるか、或いは反対側にワイヤ電極６を配置して、反対側の斜面３ｂを加工するようにして行うこともできる。

図４は、カッターホイール１Ｂの突状刃先４をワイヤカット放電加工で加工する方法の一例を示す。この方法では、図４（ａ）に示すように、回転するディスク体２に対して、形成する凸状刃先４、並びにその周辺の輪郭に沿ったラインＰ３に沿ってワイヤ電極６を矢印方向に移行させることにより、図４（ｂ）に示すカッターホイール１Ｂを加工する。

図５は、形彫り放電加工によるカッターホイール１Ａの加工手段を示す。
この方法では、形成される刃先３の斜面と同じ傾斜面を有する一対の治具電極７ａ、７ｂを、回転軸で支えられて回転するディスク体２の外周部分に押しつけることにより刃先３を加工する。或いは、治具電極７ａ、７ｂを、回転するディスク体２に対してそれぞれ反対側から交互若しくは同時に、ディスク体２の外周部分に押しつけることにより刃先３を加工してもよい。

図６は、形彫り放電加工によるカッターホイール１Ａの加工方法の別例を示す。
この方法では、形成される刃先３の反転形状を有する雌型８ａを備えた治具電極８を、回転するディスク体２の外周面に押しつけることにより刃先３を加工する。

図７は、形彫り放電加工によるカッターホイール１Ｂの加工方法を示す。
この方法では、形成される凸状刃先４の反転形状を有する雌型９ａを備えた治具電極９を、回転するディスク体２の外周面に押しつけることにより刃先４を加工する。

上記したワイヤカット放電加工並びに形彫り放電加工は、何れも放電誘導体としての水や油等の液体に、ディスク体２を浸して行われる。また、放電加工により加工されたカッターホイールは、砥石による研磨作業で仕上げを行うのが好ましい。
尚、ディスク体２は、導電性ダイヤモンド焼結体からなる板状材料からワイヤカット放電加工等により円盤状に切り出して作成される。

上記したように、カッターホイールの母体となるディスク体２がダイヤモンド焼結体で形成されていて、ダイヤモンド粒子自体が導電性を備えているため、ワイヤカット放電加工や形彫り放電加工による加工時において放電が安定し、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、鋭角な刃先３並びに幅狭な凸状刃先４の仕上げ面において、ダイヤモンド粒子ｇが脱落することなくきれいに加工することができ、強度が高く切れ味のよい高品質のカッターホイールを得ることができる。

以上、本発明の代表的な実施例について説明したが、本発明は必ずしも上記の実施形態に特定されるものでなく、本発明の目的を達成し、請求の範囲を逸脱しない範囲内で適宜修正、変更することが可能である。
例えば、刃先の先端が鋭角であれば、図１３（ａ）に示すように刃先斜面を平面ではなく凹曲面としてもよい。その場合、刃先角度は刃先稜線部分における２本の接線のなす角度とする。また、本実施形態においては凸状刃先の基部はテーパー状とされているが、図１３（ｂ）に示すように円板の側部から垂直に凸状刃先が設けられていてもよく、また図１３（ｃ）に示すように凸状刃先を鋭角とするようにしてもよい。

本発明は、セラミック基板やガラス基板等の脆性材料基板にスクライブラインを加工したり、分断したりする際に使用されるカッターホイールに適用される。

Ｗ マザー基板
１Ａ カッターホイール
１Ｂ カッターホイール
２ ディスク体
３ 鋭角な刃先
４ 凸状刃先
５ 回転軸
６ ワイヤ電極
７ａ、７ｂ、８、９ 治具電極

Claims (6)

1. 導電性ダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド焼結体からなる円盤状のディスク体の外周面に、ワイヤカット放電加工手段または形彫り放電加工手段により鋭角な刃先角度を有する刃先、または幅狭な凸状の刃先が形成されているカッターホイール。
2. 前記刃先の角度が３０度〜７５度である請求項１に記載のカッターホイール。
3. 前記凸状の刃先の幅が０．０４ｍｍ〜１ｍｍであり、高さが０．０５ｍｍ〜２ｍｍである請求項１に記載のカッターホイール。
4. 前記導電性ダイヤモンド粒子は、導電性不純物をドープしたダイヤモンド粒子である請求項１に記載のカッターホイール。
5. 外周稜線部に刃先を有するカッターホイールの製造方法であって、
   導電性ダイヤモンド粒子を含むダイヤモンド焼結体からなる板状材料から円盤状のディスク体を切り出し、
   このディスク体の外周面に、ワイヤカット放電加工または形彫り放電加工により鋭角な刃先角度を有する刃先、または幅狭な凸状の刃先を加工することを特徴とするカッターホイールの製造方法。
6. 前記導電性ダイヤモンド粒子は、導電性不純物をドープしたダイヤモンド粒子である請求項５に記載のカッターホイールの製造方法。

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