JP5942602B2 - スクライビングホイール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は脆性材料基板に圧接・転動させてスクライブするためのスクライビングホイール及びその製造方法に関するものである。

従来のスクライビングホイールは、特許文献１等に示されるように、超硬合金製又は多結晶焼結ダイヤモンド（以下、ＰＣＤという）製の円板を基材としている。ＰＣＤ円板はダイヤモンド粒子をコバルトなどと共に焼結させたものである。スクライビングホイールは基材となる円板の両側より円周のエッジを互いに斜めに削り込み、円周面にV字形の刃先を形成することにより構成される。このようにして形成されたスクライビングホイールをスクライブ装置のスクライブヘッド等に回転自在に軸着して脆性材料基板に所定の荷重で押し付け、脆性材料基板の面に沿って移動させることでスクライブすることができる。

特許文献２にはガラス切断用刃の寿命を長くするために、V字形状の刃先表面をダイヤモンドで被膜したガラス切断用刃が開示されている。このガラス切断用刃は、ダイヤモンドと相性の良いセラミックで形成された刃先表面にダイヤモンド膜を被覆し、このダイヤモンド膜を表面研磨処理して整形される。このようなガラス切断用刃を用いることにより、刃の寿命が長く、また切断面が平滑となるように硬高度ガラスを切断できると示されている。

また、特許文献３には、光ファイバ等を切断する際に滑りや切断品位の悪化を防止するため、超硬合金等の基材にダイヤモンド層を被覆し、ダイヤモンド層の表面は被覆後に平滑化処理がされていないダイヤモンド被覆切断刃が開示されている。

国際公開ＷＯ２００３／５１７８４号公報 特開平０４−２２４１２８号公報 特開２０１１−１２６７５４号公報

このように多結晶焼結ダイヤモンド（ＰＣＤ）で形成された従来のスクライビングホイールは、ダイヤモンド粒子と結合材で構成されるため、特にセラミックス基板［高温焼成セラミックス製の多層基板（ＨＴＣＣ基板）、低温焼成セラミックス製の多層基板（ＬＴＣＣ基板）等の電子部品内蔵基板等］、サファイア、シリコン等、ガラスと比較して硬度の高い脆性材料基板をスクライブする場合に寿命が短いという欠点があった。又従来のスクライビングホイールでは刃先を研磨しても稜線の粗さを小さくすることが困難であるので、スクライブ荷重が大きくなった場合には脆性材料基板をスクライブし、ブレイクしたときの脆性材料基板の端面強度が低下するという欠点があった。

一方、特許文献２に記載のガラス切断用刃はセラミックで形成された刃先表面にダイヤモンド膜を被覆しているが、特にセラミック等硬度が高い脆性材料基板をスクライブするには強度が不足してしまう。特許文献３に記載のダイヤモンド被覆切断刃においては、基材としてセラミックに加えて、従来公知の材料である超硬合金が挙げられている。しかし、超硬合金にダイヤモンド層を被覆する場合、硬質成分として含まれる炭化タングステン粒子の粒径や、結合剤として含まれるコバルトの含有量によって、膜の密着性が異なることが明らかになってきた。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、スクライビングホイールの基材として超硬合金を用い、ダイヤモンド膜をコーティングしてスクライビングホイールとしたときにダイヤモンド膜の密着性を向上させることができるスクライビングホイール及びその製造方法を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明のスクライビングホイールは、円板状のスクライビングホイール基材と、前記スクライビングホイール基材の刃先部分に形成されたダイヤモンド膜と、を具備し、前記スクライビングホイール基材は、平均粒径が０．５μｍ以上２．０μｍ以下の炭化タングステン粒子を主成分とし、４〜８重量％の範囲のコバルトを結合材として含む超硬合金を用いたものであり、前記ダイヤモンド膜は、稜線を中央に含む帯状の部分に研磨領域を有し、前記研磨領域の幅は１０〜２０μｍである。

この課題を解決するために、本発明のスクライビングホイールの製造方法は、円板の円周部に沿って刃先を有するスクライビングホイールの製造方法であって、平均粒径が０．５μｍ以上２．０μｍ以下の炭化タングステン粒子を主成分とし、４〜８重量％の範囲のコバルトを結合材として含む超硬合金を用いた円板の円周部に刃先部分を形成してスクライビングホイール基材を構成し、前記スクライビングホイール基材の刃先部分に化学気相成長法によってダイヤモンド膜を形成し、前記ダイヤモンド膜の稜線を中央に含む帯状の部分を機械研磨により研磨するものである。

ここで前記スクライビングホイール基材は、平均粒径が０．７μｍ以上１．２μｍ以下のタングステンを主成分とする超硬合金を用いるようにしてもよい。

ここで前記スクライビングホイール基材は、５〜６重量％の範囲のコバルトを含む超硬合金を用いるようにしてもよい。

このような特徴を有する本発明によれば、スクライビングホイール基材として所定の範囲の粒径の炭化タングステン粒子にコバルトを結合材とする超硬合金を用いて、その表面にダイヤモンド膜を成膜し研磨してスクライビングホイールとしている。このためダイヤモンド膜の密着性を向上させることができ、スクライビングホイールの耐摩耗性が向上し、長寿命化することができる。又刃先部分の脆性材料基板と接する部分全てがダイヤモンド膜となるため稜線の粗さを細かくすることができる。従ってこのスクライビングホイールを用いてスクライブ加工し、ブレイクすると、脆性材料基板の切断面の端面精度が向上し、これに伴い端面強度も向上させることができるという効果が得られる。

図１Ａは本発明の第１の実施の形態によるスクライビングホイールの正面図である。 図１Ｂは第１の実施の形態によるスクライビングホイールの側面図である。 図２Ａは第１の実施の形態による刃先の稜線部分の拡大断面図である。 図２Ｂは第１の実施の形態による研磨後の稜線部分の拡大断面図である。 図３Ａは本発明の第２の実施の形態によるスクライビングホイールの正面図である。 図３Ｂは第２の実施の形態による研磨後の稜線部分の拡大断面図である。 図３Ｃは図３Ａに示す円形部分の拡大図である。

図１Ａは本発明の実施の形態によるスクライビングホイールの正面図、図１Ｂはその側面図である。スクライビングホイールを製造する際には、スクライビングホイール基材となる円板の材料に超硬合金を用いる。この超硬合金は、炭化タングステン（ＷＣ）粒子を主成分とし、これにコバルト（Ｃｏ）を結合材として用いて焼結して形成したものである。この超硬合金製の円板１１の中央に、まず図１Ａに示すように軸穴となる貫通孔１２を形成する。次にこの貫通孔１２にモータ等の回転軸を連通し、円板１１の中心軸１２ａを中心として回転させつつ、円板１１の全円周を両側より研磨して図１Ｂに示すように斜面と稜線とを有する垂直断面略Ｖ字形に形成する。こうして形成したＶ字形の斜面を研磨面１３とする。

ここでスクライビングホイール基材の超硬合金については、主成分である炭化タングステン（ＷＣ）粒子の平均粒径は０．５μｍ以上、好ましくは０．７μｍ以上であり、又２．０μｍ以下、好ましくは１．２μｍ以下の微粒子を用いた超硬合金を選択する。超硬合金の材料である炭化タングステン粒子の粒子径が小さすぎれば、超硬合金を形成するために焼結した際に炭化タングステン粒子同士の結合力が弱いために、超硬合金の強度が低下する。このため、超硬合金上に形成されたダイヤモンド膜が超硬合金の表層と共に剥離しやすくなって、膜の寿命が低下する。又タングステン粒子の粒子径が大きすぎれば、炭化タングステン粒子の間隙が大きくなるため、コバルトが除去されることにより超硬合金表層において強度が低下し、同様にダイヤモンド膜が剥離しやすくなる。

また超硬合金の結合材であるコバルトの重量比は、例えば４％以上、好ましくは５％以上とし、又８％以下、好ましくは６％以下とする。コバルトの含有量が多すぎれば、コバルトが除去されることにより超硬合金表層において強度が大きく低下し、ダイヤモンド膜が剥離し易くなる。又コバルトの含有量が少なすぎれば、コバルトが除去された後にタングステン粒子の間隙が少なくなるため、ダイヤモンド膜を形成する際に核となるダイヤモンド粒子を十分に付着させることが難しく、均一に膜を形成し難くなる。

次にダイヤモンド薄膜の形成について図２Ａの刃先の稜線部分の拡大断面図を用いて説明する。まずダイヤモンド膜の付着が容易になるように基材の刃先の研磨面１３をあらかじめ粗面にする。研磨面を粗面とすることにより、核となるダイヤモンド粒子が付着しやすくなる。その後、酸処理等の周知の方法によって研磨面１３の表層のコバルトを除去しておく。表層にコバルトが残っていると、ダイヤモンド膜を形成する際に、ダイヤモンドがグラファイト化して膜を形成することができない。また、コバルトが除去されてタングステン粒子の間隙が微小な凹凸となるため、同様に核となるダイヤモンド粒子が付着しやすくなる。次にサブミクロン以下の粒径の核となるダイヤモンドを研磨面１３に形成した後、化学気相成長法（ＣＶＤ法）によってダイヤモンド薄膜を成長させる。このようにしてスクライビングホイールのＶ字形の斜面部分に化学気相成長法によって、膜厚が例えば２０〜３０μｍのダイヤモンド膜１４を形成する。この後、少なくとも先端部分が鋭くなるように研磨する。研磨は機械研磨など各種研磨方法を実行する。例えば、研磨材を用いて機械研磨により実行してもよい。図２Ｂはこの研磨した後の状態を示す部分拡大断面図である。このように研磨の際には元のダイヤモンド膜１４よりも例えば５°程度鈍角になるようにしてもよい。そして研磨した後の稜線から成る円が含まれる面を貫通孔１２に対し垂直となるようにする。ここで研磨する領域は稜線を中央に含む帯状の部分のみであってもよい。図２Ｂの幅ｗの領域はこの先端部分の研磨領域を示しており、例えば幅ｗは１０〜２０μｍとする。

このように研磨することによって従来の焼結ダイヤモンドによるスクライビングホイールに比べ、脆性材料基板に接する部分の全てがダイヤモンドとなるため、スクライビングホイールの耐摩耗性を向上させることができる。又脆性材料基板に接する部分の全てがダイヤモンド膜となるため稜線の粗さを細かくすることができる。従ってこのスクライビングホイールを用いて脆性材料基板をスクライブし、分断すると、脆性材料基板の切断面の端面精度が向上し、これに伴い端面強度も向上させることができるという効果が得られる。さらに、基材に用いられている表面のコバルトを除去した状態でも超硬合金の表面の強度を高くすることができると共に、核となるダイヤモンド粒子が付着しやすくなることにより、ダイヤモンド膜が剥離し難くなるという効果が得られる。そのため本発明のスクライビングホイールはセラミックス基板のような硬質の脆性材料基板をスクライブするのに好適である。

尚この実施の形態においては図２Ｂに示すようにＶ字形の研磨面１３にダイヤモンド膜を形成しているが、円板１１の先端の稜線部分にスクライビングホイールの回転軸に平行となる円周面を設けておいてもよい。円周面は回転軸に平行でなくともよく、外向きに凸のＵ字又はＶ字形、又は内向きにＶ字形としておいてもよい。

次に本発明の第２の実施の形態について説明する。日本国特許第３０７４１４３号にはスクライビングホイールの円周面に所定間隔を隔てて多数の溝を形成し、その間を突起として高浸透型としたスクライビングホイールが提案されている。本発明はこのようなスクライビングホイールにも適用することができる。図３Ａはこの実施の形態のスクライビングホイールの正面図、図３Ｂは先の稜線部分の拡大断面図、図３Ｃは図３Ａに一点鎖線で示した円形部分の拡大図である。この実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の超硬合金によるスクライビングホイール基材を用いる。スクライビングホイールを製造する際には、スクライビングホイール基材となる円板２１の中央にまず図３Ａに示すように軸穴となる貫通孔２２を形成する。次にこの貫通孔２２にモータ等の回転軸を連通して回転させつつ、円板２１の全円周を両側より研磨して斜面と稜線とを有する垂直断面略Ｖ字形に形成する。こうして形成したＶ字形の斜面を研磨面２３とする。この場合も第１の実施の形態と同様にスクライビングホイールの刃先部分にＣＶＤ法によってダイヤモンド膜２４をコーティングし、研磨する。ダイヤモンド膜２４を２０μｍとすると、図３Ｃに示すようにダイヤモンド膜２４の厚みの範囲内で溝２５を形成する。高浸透型とするためのスクライビングホイールの溝の深さは例えば１０μｍ程度であるため、ダイヤモンド膜２４に溝２５を形成することで高浸透型のスクライビングホイールとすることができる。

又これに代えてあらかじめスクライビングホイールのＶ字形の刃先部に溝を形成しておき、このスクライビングホイールにＣＶＤ法でダイヤモンド膜をコーティングし研磨することでスクライビングホイールを構成するようにしてもよい。

尚本発明の各実施の形態では、スクライビングホイール基材として所定範囲の粒径の炭化タングステンにコバルトを結合材として用いたものを使用しているが、これに更に酸化チタンや酸化タンタル等の別の部材を添加したものであってもよい。

本発明によるスクライビングホイールは耐摩耗性が高く、端面強度の高い脆性材料基板を切り出せるスクライビングホイールを提供することができ、スクライブ装置に好適に用いることができる。

１０，２０ スクライビングホイール
１１，２１ 円板
１２，２２ 貫通孔
１３，２３ 研磨面
１４，２４ ダイヤモンド膜
１６ 円周面
２５ 溝

Claims (6)

1. 円板状のスクライビングホイール基材と、
   前記スクライビングホイール基材の刃先部分に形成されたダイヤモンド膜と、を具備し、
   前記スクライビングホイール基材は、
   平均粒径が０．５μｍ以上２．０μｍ以下の炭化タングステン粒子を主成分とし、４〜８重量％の範囲のコバルトを結合材として含む超硬合金を用いたものであり、前記ダイヤモンド膜は、稜線を中央に含む帯状の部分に研磨領域を有し、前記研磨領域の幅は１０〜２０μｍであるスクライビングホイール。
2. 前記スクライビングホイール基材は、平均粒径が０．７μｍ以上１．２μｍ以下のタングステンを主成分とする超硬合金を用いたものである請求項１記載のスクライビングホイール。
3. 前記スクライビングホイール基材は、５〜６重量％の範囲のコバルトを結合材として含む超硬合金を用いたものである請求項１記載のスクライビングホイール。
4. 円板の円周部に沿って刃先を有するスクライビングホイールの製造方法であって、
   平均粒径が０．５μｍ以上２．０μｍ以下の炭化タングステン粒子を主成分とし、４〜８重量％の範囲のコバルトを結合材として含む超硬合金を用いた円板の円周部に刃先部分を形成してスクライビングホイール基材を構成し、
   前記スクライビングホイール基材の刃先部分に化学気相成長法によってダイヤモンド膜を形成し、前記ダイヤモンド膜の稜線を中央に含む帯状の部分を機械研磨により研磨するスクライビングホイールの製造方法。
5. 前記スクライビングホイール基材は、粒径が平均０．７μｍ以上１．２μｍ以下のタングステンを主成分とする超硬合金を用いたものである請求項４記載のスクライビングホイールの製造方法。
6. 前記スクライビングホイール基材は、５〜６重量％の範囲のコバルトを結合材として含む超硬合金を用いたものである請求項４記載のスクライビングホイールの製造方法。

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