JP4258927B2 - セラミックス製板状体の孔あけ方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス製板状体に貫通孔を形成する孔あけ方法に関し、特に電子用の基板となる板ガラスに貫通孔を形成する孔あけ方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
板ガラスで代表されるセラミックス製板状体に貫通孔を形成する孔あけ方法は、板状体の材質、板厚、孔径等により各種の方法が採用されている。たとえば、建築用の板ガラス等のように比較的板厚の大きい板状体（たとえば板厚１２ｍｍ）に比較的直径の大きい孔（たとえば直径２５ｍｍ）を加工する場合にはダイヤモンドのコアドリル（円筒形状のドリル）を使用する加工方法が、加工速度、ドリルの寿命等の点で望ましい。
【０００３】
一方、電子用の基板（たとえば、プラズマディスプレイパネル用基板）となる板ガラスに貫通孔（たとえば、排気用の孔）を形成する孔あけでは、比較的直径の小さい孔（たとえば直径２ｍｍ）が一般的であり、小径のコアドリルの製作が困難なことより、ラップ棒と呼ばれる、円柱状の金属棒の周面および端面にダイヤモンド砥粒を形成（電着形成）した工具を使用した加工方法が一般的である。
【０００４】
また、ラップ棒を使用した加工方法でも、単にラップ棒を回転させながら板状体の板厚方向に切り込んでいく方法以外に、ラップ棒を回転させながら、同時にラップ棒の軸が円運動をしながら板状体の板厚方向に切り込んでいく、いわゆるスパイラル運動により孔あけ加工を行う方法も採用されている。すなわち、ラップ棒が第一の回転手段で回転運動を与えられるとともに、ラップ棒を保持する第一の回転手段が、保持台に設けられた第二の回転手段により回転運動を与えられる方法である。
【０００５】
この方法は、加工液（クーラント）の加工点への供給が効果的に行われ、その結果として工具寿命が長い利点がある。その他に、１本のラップ棒で各種の孔径の加工ができる利点もある。
【０００６】
さらに、上記スパイラル運動による加工方法において、工具形状を単なる円柱形状とせず、円錐台と円柱とを組合わせた形状とすることも採用されている。すなわち、工具は先端部分と基部とドリル軸からなり、先端部分は先端から基部に向かって拡径する円錐台形状であり、基部は先端部分の円錐台形状の底面の直径と略同一の直径の円柱形状である構成を採る。
【０００７】
この工具でスパイラル運動による孔加工を行う場合には、さらに以下に述べる利点もある。すなわち、上記ドリルを使用しスパイラル運動により徐々に切り込んでいく場合には、孔形状もテーパ形状の状態で徐々に深くなっていく。そして、孔が貫通した時点では貫通部（他の一側）の孔径は設計孔径よりテーパの分だけ小さくなっている。これにより貫通部におけるチッピングが減少できる効果がある。なお、チッピングとは、一般に脆性体の加工部に生ずる貝殻形状の欠けをいう。
【０００８】
板ガラスで代表されるセラミックス製板状体に貫通孔を形成する孔あけでの大きな問題点として、貫通部におけるチッピングが挙げられる。すなわち、貫通部分の基板に、貫通時の衝撃による貝殻形状の欠けが生じる。これを防ぐため、貫通時の切り込み速度を遅くしたり、基板の両側より切り込みを行い基板内部で孔を貫通させる方法を採ったりして対処している。
【０００９】
ところが、上記の、工具形状を単なる円柱形状とせず、円錐台と円柱を組合わせた形状とし、かつ、スパイラル運動による孔加工を行う方式では、上述のように貫通部におけるチッピングが減少できる効果がある。すなわち、孔が貫通した時点では貫通部（他の一側）の孔径は設計孔径よりテーパの分だけ小さくなっているので、チッピングが生じてもその部分の大半はその後の加工で除去され、製品の欠陥としてはほとんど残らない。
【００１０】
上記加工方法を、加工工程順に説明する。まず、板状体の一側より、上記の円錐台と円柱を組合わせた形状のダイヤモンドドリルを回転させるとともに、該ドリルの軸にも円運動を与え、いわゆるスパイラル運動させながら一定速度で板状体に切り込んでいく。ドリルの先端が板状体を貫通した時点では、ドリルのテーパ部と接触している板状体の孔の内壁面は所定の内径まで加工されておらず、削り残し部となっている。ドリルをさらに進め切り込んでいくと、削り残し部は徐々に削られていき、基部の先端が板状体の反対側に突き抜けた時点で孔あけ加工が終了する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の加工ではドリルの先端部分のダイヤモンド砥粒の磨耗が多く、ドリルの基部のダイヤモンド砥粒がまだ磨耗していない状態でもドリルの先端部分が使用できない状態となり、その結果ドリルの寿命が早く尽きる。そのため、上記の加工方法の利点を充分には生かしきれない不具合となっていた。
【００１２】
したがって、上記従来の加工方法において、ドリルの先端部分と基部のダイヤモンド砥粒の磨耗が均一となる加工条件の最適化が望まれていた。
本発明は、前述の課題を解決すべくなされたものであり、上記従来の加工方法においてドリル寿命の長くなる加工方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、板状体の一側より、回転するドリルを、該ドリルの軸が円運動をしながら前記板状体に切り込むセラミックス製板状体の孔あけ方法であって、前記ドリルとして、先端部分と基部とドリル軸からなり、先端部分は先端から基部に向かって拡径する円錐台形状であり、基部は先端部分の円錐台形状の底面の直径と略同一の直径の円柱形状であり、先端部分の円錐台形状の頂面の直径が孔あけする孔直径の２０〜６０％であり、円錐台形状のテーパ角度がドリル軸の軸心に対し３〜３０度であり、円錐台の高さが前記セラミックス製板状体の板厚の５０〜１２０％であり、基部の円柱の直径が孔あけする孔直径の４０〜８０％であるドリルを使用することを特徴とするセラミックス製板状体の孔あけ方法を提供する。
【００１４】
このようなドリル形状とすることで、ドリルの先端部分と基部のダイヤモンド砥粒の磨耗が均一となり、ドリル寿命を長くすることができる。
上記のドリル形状は、先端部分の円錐台形状の頂面の直径が孔あけする孔直径の２０〜３０％であり、円錐台形状のテーパ角度がドリル軸の軸心に対し１８〜２２度の範囲が特に好ましい。
なお、上記円錐台形状とは、円錐台の側面の断面が直線状である真正の円錐台形状のみならず、断面が凸状の円弧状または断面が凹状の円弧状のものである略円錐台形状のものも含むものとする。
【００１５】
本発明において、前記ドリルの先端部分と基部が＃１００〜＃４００メッシュのダイヤモンドを用いたダイヤモンド砥石であることが好ましい。
このようなサイズのダイヤモンド砥粒を使用したダイヤモンド砥石であれば、加工速度および仕上がり精度の両方の要求が満足できる。
【００１６】
また、本発明において、前記ドリルの先端部分が＃１００〜＃２００メッシュのダイヤモンドを用いたダイヤモンド砥石であり、基部が＃２００〜＃４００メッシュのダイヤモンドを用いたダイヤモンド砥石であることが好ましい。
ダイヤモンド砥粒の磨耗が多い先端部分に粒サイズの比較的大きいダイヤモンド砥粒を使用すればダイヤモンド砥粒の磨耗速度が遅くなる。また、基部に粒サイズの比較的小さいダイヤモンド砥粒を使用すれば加工部の仕上がり精度が向上する。
【００１７】
また、本発明において、前記セラミックス製板状体が板ガラスであることが好ましい。
すなわち、チッピング発生の多い板ガラスに本発明の方法が特に有効である。
【００１８】
【実施例】
［実施例］
図１は、本発明の実施例で使用するドリルの形状を示す正面図である。先端部分１ａの円錐台は、頂面の直径Ｄ１が１ｍｍ、底面の直径Ｄ２が２．６ｍｍ、高さＬ１が２ｍｍである。基部１ｂの円柱は、直径Ｄ２が２．６ｍｍ、高さＬ２が５．０ｍｍである。基部１ｂの端面からはドリル軸１ｃが延設されており、先端部分１ａ、基部１ｂおよびドリル軸１ｃは同心に加工されている。先端部分１ａには＃２７０のダイヤモンド砥粒層が、基部１ｂには＃２７０のダイヤモンド砥粒層が、それぞれ電着により形成されている。
【００１９】
被加工物である板状体として板ガラスを使用した。１０００×６００ｍｍの板ガラス（旭硝子（株）製、商品名：ＰＤ２００）を使用した。板ガラスの板厚は２．８ｍｍ、設計孔径は４ｍｍである。したがって、先端部分１ａの円錐台形状の頂面の直径は、孔あけする孔直径の２５％となり、円錐台の高さは前記セラミックス製板状体の板厚の７１％となり、基部の円柱の直径は孔あけする孔直径の６５％となる。また、円錐台形状のテーパ角度θはドリル軸１ｃの軸心に対し２０度となる。
【００２０】
ドリルの回転数は、毎分２００００回転、ドリル軸の偏心量（ドリル軸が円運動するときのドリル軸軌跡の直径）は、０．５ｍｍ、ドリル軸の偏心回転数は、毎分７５回転、ドリルの切り込み速度は、毎分４ｍｍとした。加工時に供給するクーラント（研削液）には水道水を使用した。クーラントの供給量は毎分約４リットルである。図３に、ドリルの動きを概念図として示す。同図において、矢印３は、クーラントの流れを示す。
【００２１】
図５は、本発明の実施例において、ドリル貫通時の板状体の孔形状を示す断面図である。同図において、切り残し部２ａは、ドリル貫通時において設計孔形状と比較した切り残し部分である。本実施例では、この状態からさらに切り込みを続行し、基部１ｂの先端が基板の反対側に完全に抜け出すまで行う。その後、切り込み運動を停止し、ドリル軸の偏心量を徐々に増加させ、設計寸法の孔径まで加工した時点で加工を終了させる。なお、偏心量（ドリル軸が円運動するときのドリル軸軌跡の直径）の増加速度、すなわち、第二の回転手段を有する保持台に対する第一の回転手段の孔径方向の移動速度は、毎分４ｍｍである。本実施例ではこのような、切り込みと拡径手段の二段階の加工を採用したが、切り込み加工の段階で設計寸法の孔径まで加工する方法であってもよい。
【００２２】
［比較例］
図２は、従来方法である比較例で使用するドリルの形状を示す正面図である。先端部分１ａの円錐台は、頂面の直径Ｄ１が１．８ｍｍ、底面の直径Ｄ２が２．６ｍｍ、高さＬ１が１ｍｍである。基部１ｂの円柱は、直径Ｄ２が２．６ｍｍ、高さＬ２が５．０ｍｍである。基部１ｂの端面からはドリル軸１ｃが延設されており、先端部分１ａ、基部１ｂおよびドリル軸１ｃは同心に加工されている。先端部分１ａには＃２７０のダイヤモンド砥粒層が、基部１ｂには＃２７０のダイヤモンド砥粒層が、それぞれ電着により形成されている。
【００２３】
被加工物である板状体には、実施例と同じ板ガラスを使用した。板ガラスの板厚は２．８ｍｍ、設計孔径は４ｍｍである。したがって、先端部分１ａの円錐台形状の頂面の直径は、孔あけする孔直径の４５％となり、円錐台の高さは前記セラミックス製板状体の板厚の３５．７％となり、基部の円柱の直径は孔あけする孔直径の６５％となる。また、円錐台形状のテーパ角度θはドリル軸１ｃの軸心に対し２４．２度となる。
【００２４】
ドリルの回転数、ドリル軸の偏心量、ドリル軸の偏心回転数、ドリルの切り込み速度、供給するクーラントの条件、等は実施例と同一とした。図４に、ドリルの動きを概念図として示す。同図において、矢印３は、クーラントの流れを示す。
【００２５】
図６は、比較例において、ドリル貫通時の板状体の孔形状を示す断面図である。同図において、切り残し部２ａは、ドリル貫通時において設計孔形状と比較した切り残し部分である。比較例では、実施例と同様に、この状態からさらに切り込みを続行し、基部１ｂの先端が基板の反対側に完全に抜け出すまで行い、その後、切り込み運動を停止し、ドリル軸の偏心量を徐々に増加させ、設計寸法の孔径まで加工した時点で加工を終了させる。なお、偏心量の増加速度、すなわち、第二の回転手段を有する保持台に対する第一の回転手段の孔径方向の移動速度は、実施例と同一である。
【００２６】
［実施例と比較例との対比］
図７は、本発明の実施例および比較例において、研削負荷の推移を示すグラフである。なお、研削負荷とは、研削加工時に被研削物からドリルへ向かって垂直方向に加わる荷重、すなわちドリルの軸方向の荷重である。該研削負荷は次のようにして測定した。
【００２７】
研削加工を行わない状態（ドリルの回転およびドリル軸の円運動を停止した状態）で、ドリルの軸方向に所定の荷重を加え、そのときのドリル回転手段の変位量（モータ筐体後部の変位量）を位置センサ（たとえば、リニヤゲージ）で測定し、荷重と変位量との関係を求めた。この測定を数種類の荷重に対して行い、荷重−変位量の関係図を作成した。そして、研削加工時にもドリル回転手段の変位量を位置センサで測定し、荷重−変位量の関係図より研削負荷を求めた。
【００２８】
実施例の場合、比較例の場合のいずれにおいても、新品のドリルを装着した直後（同図の、加工孔数が１のとき）では、研削負荷は４．９Ｎ程度である。実施例の場合、比較例の場合のいずれにおいても加工孔数が増すに従い研削負荷が上昇する。ただし、研削負荷の上昇速度は異なっている。比較例の場合では４０孔加工時点で研削負荷が約１４．７Ｎになった。そしてこの時点で基板にチッピングが生じ加工を続行できなくなった。これに対し、実施例の場合では１２０孔加工時点で研削負荷が約１４．７Ｎになった。ただし、この時点でも基板にチッピングは生じず、加工を続行できる。
【００２９】
図８は、本発明の実施例および比較例において、ドリル寿命を示すグラフである。比較例の７例では、ドリル寿命はいずれも５０孔に及ばないレベルであるのに対し、実施例の３例では、いずれも１００孔を超えている。
【００３０】
このような効果は以下の原理によって達成できると考えられる。
まず、ドリルの先端部分の円錐台形状のテーパ角度を小さくすることにより先端部分の長さが長くなり、その結果先端部分の面積も増える。これにより、先端部分のダイヤモンド砥粒数も増え、各ダイヤモンド砥粒が負担する負荷が減少し、ダイヤモンド砥粒の磨耗も少なくなる。
【００３１】
また、ドリルの先端部分の長さが長くなることで、先端部分の先端へのクーラントの供給の効果が増し、その結果ダイヤモンド砥粒の磨耗も少なくなる。
以上に述べたようなメカニズムにより、ダイヤモンド砥粒の磨耗も少なく、その結果砥石の寿命が大幅に向上するものと推測される。
【００３２】
品質面では、ドリルの先端部分の先端径が小さく、ドリルが貫通したときの衝撃が小さくその結果チッピングが低減するものと推測される。また、ドリルが貫通したときの切り残し部（未加工領域）が多く、その結果チッピングが低減するものと推測される。
以上に述べた理由より従来例にない顕著な効果が得られるものと考えられる。
【００３３】
なお、実施例では、ダイヤモンド砥石は、ダイヤモンド砥粒層が電着により形成されているいわゆる電着砥石を使用したが、これに限られずメタルボンド、ビトリファイドボンド、レジンボンド等による、いわゆるボンド砥石を使用しても同様の効果が得られる。
また、ドリル回転数、偏心回転数、ドリルの切り込み速度等の加工条件は、実施例の条件に限られず、板状体の材質、板厚等に応じて各種の組合せが適用できる。
【００３４】
上記以外の要素として、先端部分と基部とにおけるダイヤモンド砥粒サイズの組合せを選択することにより、砥石寿命の最適化もできる。たとえば、ドリルの先端部分に＃１７０メッシュのダイヤモンドを用い、基部に＃３２５メッシュのダイヤモンドを用いたダイヤモンド砥石の場合である。この場合、ダイヤモンド砥粒の磨耗が速いドリルの先端部分に比較的砥粒粒径の大きいダイヤモンド砥粒を用いるので、該部分の砥粒寿命は長くなり、孔あけ加工の終了時に使用するドリルの基部に比較的砥粒粒径の小さいダイヤモンド砥粒を用いるので、加工部位の品質が向上するという効果が得られる。
本実施例では板ガラスの加工について説明したが、他のセラミックス製板状体でも同様の効果が得られる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明により、セラミックス製板状体に対し孔加工に使用するドリル寿命を大幅に長くすることができる。これにより、ドリルコストの低減、ドリル交換に伴うジョブチェンジによる稼働率低下の防止、加工歩留の向上等の効果が得られ、生産性向上、コストダウンに寄与できる。また、品質面においてもチッピングが低減する等の効果が得られる。上記効果は、特にセラミックス製板状体に小径の孔あけをする場合に著しい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例で使用するドリルの形状を示す正面図。
【図２】比較例で使用するドリルの形状を示す正面図。
【図３】本発明の実施例においてドリルの動きを説明する概念図。
【図４】比較例においてドリルの動きを説明する概念図。
【図５】本発明の実施例において、ドリル貫通時の板状体の孔形状を示す断面図。
【図６】比較例において、ドリル貫通時の板状体の孔形状を示す断面図。
【図７】本発明の実施例および比較例において、研削負荷の推移を示すグラフ。
【図８】本発明の実施例および比較例において、ドリル寿命を示すグラフ。
【符号の説明】
１：ドリル
１ａ：先端部分
１ｂ：基部
１ｃ：ドリル軸
２：板状体
２ａ：切り残し部
３：クーラントの流れ

Claims (4)

1. 板状体の一側より、回転するドリルを、該ドリルの軸が円運動をしながら前記板状体に切り込むセラミックス製板状体の孔あけ方法であって、
   前記ドリルとして、先端部分と基部とドリル軸からなり、先端部分は先端から基部に向かって拡径する円錐台形状であり、基部は先端部分の円錐台形状の底面の直径と略同一の直径の円柱形状であり、先端部分の円錐台形状の頂面の直径が孔あけする孔直径の２０〜６０％であり、円錐台形状のテーパ角度がドリル軸の軸心に対し３〜３０度であり、円錐台の高さが前記セラミックス製板状体の板厚の５０〜１２０％であり、基部の円柱の直径が孔あけする孔直径の４０〜８０％であるドリルを使用することを特徴とするセラミックス製板状体の孔あけ方法。
2. 前記ドリルの先端部分と基部が＃１００〜＃４００メッシュのダイヤモンドを用いたダイヤモンド砥石である請求項１に記載のセラミックス製板状体の孔あけ方法。
3. 前記ドリルの先端部分が＃１００〜＃２００メッシュのダイヤモンドを用いたダイヤモンド砥石であり、基部が＃２００〜＃４００メッシュのダイヤモンドを用いたダイヤモンド砥石である請求項１に記載のセラミックス製板状体の孔あけ方法。
4. 前記セラミックス製板状体が板ガラスである請求項１、２または３に記載のセラミックス製板状体の孔あけ方法。

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