JP6736151B2

JP6736151B2 - カッターホイール並びにその製造方法

Info

Publication number: JP6736151B2
Application number: JP2016089465A
Authority: JP
Inventors: 充北市
Original assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Current assignee: Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2020-08-05
Anticipated expiration: 2036-04-27
Also published as: TW201703960A; TWI715591B; JP2017013488A

Description

本発明は、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。特に本発明は、アルミナ、ＨＴＣＣ、ＬＴＣＣ等のセラミック基板やサファイア基板、シリコン基板等、非晶質のガラス基板よりも硬い脆性材料基板にスクライブラインを加工したり、分断したりするのに適した単結晶ダイヤモンドからなるカッターホイール並びにその製造方法に関する。

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て基板表面にスクライブラインを形成し、その後、スクライブラインに沿って裏面側から外力を印加して基板を撓ませることにより、単位基板ごとに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に開示されている。

脆性材料基板にスクライブラインを加工するカッターホイールは、円周面にＶ字形の刃先を有するカッターホイールが用いられる。カッターホイールは一般的に超硬合金や多結晶ダイヤモンド焼結体から作られているが、最近ではガラス基板よりも硬度の高いセラミック基板やサファイア基板、シリコン基板等のスクライブ用として単結晶ダイヤモンドからなるカッターホイールが注目されている。

カッターホイールの円周面にＶ字形の刃先を形成するためには、図３に示すように素材となる円板状ボディ１０１の軸受孔３に研磨装置のシャフト４を挿入して円板状ボディを回転させ、円周面の両側縁を研磨砥石５により斜めに研磨して左右の斜面と稜線とからなるＶ字形の刃先を形成している。

ガラス基板等の脆性材料基板を分断する工程では、カッターホイールでスクライブラインを加工した後、基板に外力を加えてスクライブラインに沿って分断しているが、カッターホイールの刃先斜面が十分研磨されずに凹凸が残っていると、分断したときに基板の分断端面にキズが残って基板の端面強度が低下する。また、カッターホイールの刃先斜面に凹凸があると、スクライブ時の抵抗が増加して刃先が欠けたり、摩耗が進んだりして使用寿命の低下につながる。そのため、刃先斜面は凹凸のない滑らかな面に形成することが要求される。この刃先斜面の表面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）で０．０３μｍ以下となるようにするのが好ましい。

特許３７８７４８９号公報

しかし、円板の円周面の両側縁を削り取ってＶ字形の刃先の形態に加工するためには、削り取られる研磨領域が多いため、粒度の粗い粗研磨用の研磨砥石を使用しなければならない。したがって、Ｖ字形に加工した後、刃先斜面を粒度の細かい研磨砥石で仕上げ研磨する必要があるが、粗研磨砥石による加工後の刃先斜面には大きな凹凸が残っているので、細かい粒度の研磨砥石を用いて好ましいとされる表面粗さまで研磨するのに時間がかかるとともに、研磨砥石の交換頻度も増えてコストが高くなる。また、カッターホイールの刃先は、脆性材料基板に食い込む先端稜線部分が実質的な刃先となるので、この仕事を行う刃先の先端部分だけを希望する表面粗さで仕上げればよいのであるが、上記方法では刃先斜面の全領域が仕上げ研磨されるため無駄な部分が生じることになる。特に、硬度が高く、表面に現れる複数の結晶方位の影響を受けやすい単結晶ダイヤモンドのみからなるカッターホイールの加工では、凹凸の残った刃先斜面を希望する表面粗さまで全周で均一に仕上げ研磨することは非常に難しい作業となる。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、凹凸のない滑らかな刃先斜面を有し、長期にわたって安定して使用することができる単結晶ダイヤモンド製のカッターホイール並びにその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、外周面に刃先部を備えた単結晶ダイヤモンドからなるカッターホイールであって、前記刃先部が、左右対称的な三段の斜面と、最上段の左右の斜面の交点に形成された稜線とからなり、前記三段の各斜面の傾斜角は、上段の斜面が下段の斜面より緩やかになるように形成され、前記最上段の斜面と前記稜線とがスクライブ対象となる脆性材料基板に食い込む実質的な刃先を形成するように構成され、前記最上段の斜面部の厚さ方向の幅が円板状ボディの厚みの半分以下であり、前記最上段の斜面の表面粗さが、算術平均粗さで０．０３μｍ以下であり、前記稜線の最大高さ粗さが０．３μｍ以下となるように形成されている構成とした。
ここで、前記最上段の左右の斜面が交わる角度が１００〜１５０°となるように形成するのがよい。

また本発明は、以下のカッターホイールの製造方法も特徴とする。すなわち、本発明のカッターホイールの製造方法は、左右対称的な三段の斜面と、最上段の斜面の交点に形成された稜線とからなる刃先を外周面に備え、前記三段の各斜面は、上段の斜面が下段の斜面より緩やかな傾斜角となるように形成された単結晶ダイヤモンド製のカッターホイールの製造方法であって、円形状ボディの円周面の両側縁を除去して最下段の斜面を形成する一次加工工程と、前記一次加工工程によって形成された最下段の斜面の一部を加工して二段目の斜面を形成する二次加工工程と、前記二次加工工程によって形成された二段目の斜面の一部を加工して最上段の斜面を形成する三次加工工程とからなり、前記三次加工工程では前記最上段の斜面の表面粗さが算術平均粗さで０．０３μｍ以下であり、前記稜線の最大高さ粗さが０．３μｍ以下となるように加工し、前記三次加工工程で加工される最上段の斜面部分が円板状ボディの厚みに対して占める割合が円板状ボディの厚みの半分以下となるように加工するようにした。

本発明のカッターホイールによれば、刃先部の斜面が三段の斜面で形成されているので、斜面を加工する際に下段の斜面から上段にかけて順次３回に分けて加工することができる。したがって、加工工程順に粒度の細かい研磨砥石に変えていくことにより、一段目の斜面から二段目、三段目の斜面にかけて表面の凹凸を順次小さくすることができ、最終的には、実質的な刃先斜面となる最上段の斜面を、粒度の細かい仕上げ用の研磨砥石を用いて希望する表面粗さまで容易に加工することができる。また、最上段の斜面の幅が円板状ボディの厚みの半分以下となるようにしてあるので、最上段の斜面を仕上げ研磨砥石で研磨するときに、従来のような刃先斜面の全幅を研磨するのに比べて、研磨領域が大幅に少なくなって無駄なく迅速に仕上げ研磨することができる。これにより、凹凸のない滑らかな刃先斜面を有し、刃こぼれが少なく使用寿命の長い単結晶ダイヤモンド製のカッターホイールを容易に得ることができる。

また、本発明のカッターホイールの製造方法によれば、一次、二次、三次の三段階の加工工程を経て三段の斜面を持つ刃先部が加工されるが、このとき、一段目の斜面から二段目、三段目の斜面にかけて表面の凹凸が小さくなるように順次加工される。このため、最終的には、実質的な刃先斜面となる最上段の三段目の斜面を、粒度の細かい仕上げ用の研磨砥石を用いて希望する表面粗さまで容易に加工することができる。
また、三次加工工程では、円板状ボディの厚みの半分以下となった三段目の斜面のみを希望する表面粗さに仕上げ加工するものであるから、従来のような刃先斜面の全幅を加工するのに比べて、加工領域が大幅に少なくなって無駄なく迅速に仕上げ加工することができる。この利点は、硬く、異なる結晶方位の影響を受けやすい単結晶ダイヤモンドのみからなるカッターホイールの加工において特に顕著に現れる。これにより、全周において凹凸のない滑らかな刃先斜面を備え、刃こぼれが少なく使用寿命の長い単結晶ダイヤモンド製のカッターホイールを効率的に製造することができる。

上記発明において、稜線の最大高さ粗さを０．３μｍ以下とする。また、より好ましくは、稜線の最大高さ粗さを０．１μｍ以下、さらには０．０５μｍ以下とするのがよい。
カッターホイールの素材が多結晶ダイヤモンド焼結体である場合にはあまり問題にならなかったが、近年、単結晶ダイヤモンドからなるカッターホイールでは、表面の微細なキズ（亀裂）が起点となって割れが進行しやすい性質を有していることがわかってきた。特に、単結晶ダイヤモンドを円板状に加工し、さらにその外周に刃先を形成する場合、円周上では周期的に異なる結晶方位の影響を受けるため、特定の箇所で微細なキズ（亀裂）が現れやすい。そのため、算術平均粗さ（Ｒａ）だけでなく、稜線の最大高さ粗さ（Ｒｚ）の値についても、異なる結晶方位の影響を受ける複数の箇所で同程度に小さくなるようにされていることが割れの防止に有効であることが判明した。すなわち、稜線の山高さの最大値と谷深さの最大値との和である稜線の最大高さ粗さ（Ｒｚ）が、外周上で上述の値より大きくなる箇所がないように加工して、カッターホイール表面の算術平均粗さ（Ｒａ）の値に現れにくい局所的な凹凸をも減らすことによって、スクライブ時にカッターホイールが局所的かつ集中的な荷重を受けて割れが生じるというトラブルを低減することができるようになる。

本発明のカッターホイールを示す正面図と側面図と刃先部分の拡大図。本発明のカッターホイールの製造工程を示す説明図。本発明のカッターホイールの製造方法における一次研磨工程を示す説明図。本発明の効果を説明する図。

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１〜図３に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）は本発明に係るカッターホイールＡを示す正面図であり、図１（ｂ）は側面図であり、図１（ｃ）は刃先部分の拡大図である。このカッターホイールＡは、単結晶ダイヤモンドのみで作製され、中心に軸受孔３を備えた円板状ボディ１の外周面に刃先部２が設けられている。本実施例ではカッターホイールＡの直径Ｄが２ｍｍ、厚みｔが６５０μｍ、三段目（最上段）の斜面の交わる角度が１２０°となるように形成した。

カッターホイールＡの刃先部２は、左右対称に形成された三段の斜面２ａ、２ｂ、２ｃと、最上段の斜面２ｃ、２ｃの交点に形成された稜線２ｄとからなる。これら斜面２ａ、２ｂ、２ｃの傾斜角度は、上段の斜面が下段の斜面より緩やかになるように形成されている。本実施例では、一段目（最下段）の左右の斜面２ａ、２ａの交わる角度α１が９０〜１４０°、好ましくは１００〜１４０°で形成され、二段目の左右の斜面２ｂ、２ｂの交わる角度α２が９５〜１４５°、好ましくは１０５〜１４５°で形成され、三段目（最上段）の左右の斜面２ｃ、２ｃの交わる角度α３が１００〜１５０°、好ましくは１１０〜１５０°で形成されている。この三段目の斜面２ｃ、２ｃとこれらの斜面が交わる稜線２ｄが、スクライブ時に脆性材料基板に食い込む実質的な刃先となる。したがって、斜面２ｃ、２ｃが交わる角度α３が刃先角度となる。ここで、三段目（最上段）の斜面２ｃ、２ｃの交わる角度α３と二段目の斜面２ｂ、２ｂの交わる角度α２との角度差は５〜１０°、二段目の斜面２ｂ、２ｂの交わる角度α２と一段目（最下段）の斜面２ａ、２ａの交わる角度α１との角度差は５〜１０°となるように形成することが好ましい。このような角度差とすることで、加工により除去される量を最小限としながら、傾斜面と稜線を精度よく確実に形成することができる。
この実質的な刃先となる三段目の斜面２ｃ、２ｃの稜線からの斜面に沿った幅Ｌ１は、直径２ｍｍで厚み６５０μｍのカッターホイールＡでは片側１０〜５０μｍとなるように形成するのが好ましい。三段目（最上段）の斜面の交わる角度が１２０°で、斜面に沿った幅Ｌ１が片側５０μｍのとき、三段目の左右の斜面部を合わせた厚さ方向の幅は約８０μｍとなる。

次に、カッターホイールＡの製造方法を図２並びに図３に基づいて説明する。
図２（ａ）は刃先加工前の円板状ボディ１０１を示す。この円板状ボディ１０１は、側面視すると円形で外周面が平らであり、中心には貫通した軸受孔３が設けられている。円板状ボディ１０１の厚みｔは、完成したカッターホイールＡの厚みと同じ６５０μｍである。

この円板状ボディ１０１の軸受孔３を、図３に示すように、研磨装置の回転軸４に挿入して円板状ボディ１０１を取り付け、円板状ボディ１０１を回転させながら研磨砥石５を円板状ボディ１０１の外周面の側縁部分に押し付けて、一段目の斜面２ａの加工、すなわち一次加工工程を行う。この工程では、まず一方の斜面２ａを加工し、次いで円板状ボディ１０１を反転させてもう一方の斜面２ａを加工する。これにより、図２（ｂ）に示すような斜面２ａのみで刃先斜面が形成された円板状ボディ１０２が形成される。
一次加工工程では、除去される領域Ｓ１が大きい、すなわち、加工領域が大きいので、研磨によって加工する場合には粒度の粗い研磨砥石、例えば粒度４００〜１０００番、好ましくは６００〜９００番の粗研磨砥石を用いて研磨する。

次いで、上記と同様の手法により、先の一次加工工程で加工された一段目の斜面２ａの上方部分を加工して二段目の斜面２ｂ、２ｂを形成する二次加工工程を行う。これにより、図２（ｃ）に示すように、一段目の斜面２ａと二段目の斜面２ｂとによる二段形状の刃先斜面を持つ円板状ボディ１０３が形成される。この場合、角度に応じて二段目の斜面２ｂ、２ｂの傾斜面に沿った幅Ｗ２が片側３０〜８０μｍとなるようにするのがよい。
この二次加工工程では、加工によって除去される領域Ｓ２、すなわち、加工領域が一次加工工程の加工領域Ｓ１に比べて格段に少ないので、研磨によって加工する場合には一次加工工程で用いた研磨砥石よりも粒度の細かい研磨砥石、例えば粒度２０００〜８０００番、好ましくは３０００〜５０００番の研磨砥石を用いて研磨することができる。これにより、二段目の斜面２ｂは一段目の斜面２ａよりも小さな凹凸面できれいに加工される。

次いで、図２（ｄ）に示すように、二次加工工程により加工された二段目の斜面２ｂの上方部分を加工して三段目の斜面２ｃ、２ｃを形成する三次加工工程を行って円板状ボディ１を完成させる。この場合、三段目の斜面２ｃ、２ｃの稜線からの斜面に沿った幅Ｗ１が１０〜５０μｍとなるようにするのがよい。また、このとき、三段目の左右の斜面部の厚さ方向の幅Ｌ１が円板状ボディ１の厚みｔの半分以下となるようにする。この三段目の斜面２ｃ、２ｃと、これら斜面の交点に形成される稜線２ｄが、スクライブ時に脆性材料基板に食い込む実質的な刃先を形成する。
三次加工工程では、加工によって除去される領域Ｓ３が二次加工工程の加工領域Ｓ２に比べてさらに少なくなり、しかも削られる二段目の斜面２ｂの表面の凹凸が先の二次加工工程によって小さくなっている。このため、研磨によって加工を行う場合には二次加工工程で用いた研磨砥石よりもさらに粒度の細かい仕上げ用の研磨砥石、例えば粒度１００００〜３００００番の研磨砥石を用いることができる。これにより、希望する表面粗さまで、すなわち、ＪＩＳ０６０１：２０１３で規定する算術平均粗さ（Ｒａ）で０．０３μｍ以下、好ましくは０．０１μｍまで容易に研磨することができる。

同様に、ＪＩＳ０６０１：２０１３に規定する最大高さ粗さ（Ｒｚ）を計測して、最大高さ粗さ（Ｒｚ）が０．３μｍ以下、好ましくは０．１μｍ以下、さらに好ましくは０．０５μｍ以下となるようする。これにより稜線の微細なキズ（凹凸）に起因する割れを発生しにくくすることができる。なお、この加工では、算術平均粗さ（Ｒａ）及び最大高さ粗さ（Ｒｚ）を小さくするほど割れが生じにくくなるが、それだけ加工の難易度も増すため、加工コストとの関係で粗さの精度を定めるようにする。

上記のように本発明では、一次、二次、三次という三段階の加工工程を経て三段の斜面を持つ刃先部２が加工される。このとき、加工工程順に粒度の細かい研磨砥石に変えていくことにより、一段目の斜面２ａから二段目の斜面２ｂ、さらに三段目の斜面２ｃにかけて順次表面の凹凸が小さくなるように加工される。したがって、実質的な刃先斜面となる三段目の斜面２ｃを加工する三次加工工程では、粒度の細かい仕上げ用の研磨砥石を用いて希望する表面粗さまで容易に加工することができる。また、三次加工工程では、実質的な刃先斜面となる三段目の斜面２ｃのみを希望する表面粗さに仕上げ加工するものであるから、図４（ｂ）に示すように、従来の刃先斜面の幅Ｌに比べて、図４（ａ）に示す斜面２ｃの幅Ｌ１が円板状ボディ１の厚みｔの半分以下であるので、無駄なく迅速に仕上げ加工することができる。この利点は、硬い単結晶ダイヤモンドのみからなるカッターホイールの研磨において特に顕著に現れる。

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い。例えば、本発明では上記実施例で示した直径２ｍｍのものを含め、０．８〜３ｍｍのカッターホイールに適用することができる。また、実質的な刃先角度となる三段目の斜面２ｃの交点角度α３は、本実施例では１２０°としたが、１００〜１５０°の範囲内で実施することが可能である。
また、本実施例では一次加工工程、二次加工工程、三次加工工程において研磨により加工領域を形成したが、その他の加工方法によって加工領域を形成してもよい。例えば、レーザー加工や、ホウ素やリン等の不純物をドープして導電性を持たせた単結晶ダイヤモンドの場合は放電加工を利用することができる。加工領域領域の大きな一次加工工程においてはレーザー加工や放電加工を用いることで加工時間を短くすることができる。一方、加工後の表面粗さを小さくするためには、三次加工は研磨加工を行うことが好ましい。
その他本発明では、その目的を達成し、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。

本発明は、セラミック基板やサファイア基板、シリコン基板等、非晶質のガラス基板よりも硬い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単結晶ダイヤモンド製のカッターホイールに適用される。

Ａカッターホイール
Ｌ１三段目（最上段）の斜面の幅
α３三段目の斜面の交点角度
１円板状ボディ
２刃先部
２ａ一段目（最下段）の斜面
２ｂ二段目の斜面
２ｃ三段目の斜面
２ｄ稜線
３軸受孔

Claims

外周面に刃先部を備えた単結晶ダイヤモンドからなるカッターホイールであって、
前記刃先部が、左右対称的な三段の斜面と、最上段の左右の斜面の交点に形成された稜線とからなり、
前記三段の各斜面の傾斜角は、上段の斜面が下段の斜面より緩やかになるように形成され、
前記最上段の斜面と前記稜線とがスクライブ対象となる脆性材料基板に食い込む実質的な刃先を形成するように構成され、
前記最上段の斜面部の厚さ方向の幅が円板状ボディの厚みの半分以下であり、前記最上段の斜面の表面粗さが、算術平均粗さで０．０３μｍ以下であり、前記稜線の最大高さ粗さが０．３μｍ以下となるように形成されているカッターホイール。
前記最上段の左右の斜面が交わる角度が１００〜１５０°である請求項１に記載のカッターホイール。
前記稜線の最大高さ粗さが０．１μｍ以下である請求項１又は請求項２に記載のカッターホイール。
前記稜線の最大高さ粗さが０．０５μｍ以下である請求項３に記載のカッターホイール。
左右対称的な三段の斜面と、最上段の斜面の交点に形成された稜線とからなる刃先部を外周面に備え、前記三段の各斜面は、上段の斜面が下段の斜面より緩やかな傾斜角となるように形成された単結晶ダイヤモンド製のカッターホイールの製造方法であって、
円形状ボディの円周面の両側縁を除去して最下段の斜面を形成する一次加工工程と、
前記一次加工工程によって形成された最下段の斜面の一部を加工して二段目の斜面を形成する二次加工工程と、
前記二次加工工程によって形成された二段目の斜面の一部を加工して最上段の斜面を形成する三次加工工程とからなり、
前記三次加工工程では前記最上段の斜面の表面粗さが算術平均粗さで０．０３μｍ以下であり、前記稜線の最大高さ粗さが０．３μｍ以下となるように加工し、
前記三次加工工程で加工される最上段の斜面部の厚さ方向の幅が円板状ボディの厚みの半分以下となるように加工するようにしたカッターホイールの製造方法。
前記三次加工工程において、前記最上段の左右の斜面が交わる角度が１００〜１５０°となるように加工するようにした請求項５に記載のカッターホイールの製造方法。
前記稜線の最大高さ粗さが０．１μｍ以下である請求項５又は請求項６に記載のカッターホイールの製造方法。
前記稜線の最大高さ粗さが０．０５μｍ以下である請求項７に記載のカッターホイールの製造方法。