JP6088687B2 - 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、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字形の刃先を形成したものである。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、転動させながらスクライブすることができる。

特許文献１にはガラス基板を切断するためのガラス切断用刃に関し、そ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高硬度ガラスを切断できると示されている。

また、特許文献２には、光ファイバやガラス基板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たダイヤモンド被覆切断刃が開示されている。この文献ではダイヤモンド層の表面は被覆後に平滑化処理をしないことを特徴としている。

特開平０４−２２４１２８号公報 特開２０１１−１２６７５４号公報

特許文献１に記載のガラス切断用刃を用いて実際に脆性材料基板をスクライブする場合には、刃先の欠け、ダイヤモンド被膜の剥離などが起こりやすいという問題が生じることが分かった。特許文献２に記載のダイヤモンド被覆切断刃においても、その表面に平滑化処理がされていないことから、脆性材料基板をスクライブすると基板の端面精度が研磨を行わない場合に比べて悪化し、このために端面強度が劣るという問題点があった。

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、ダイヤモンド膜を被覆したスクライビングホイールにおいて、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や端面精度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、円周部に沿って稜線が形成され、前記稜線と前記稜線の両側の傾斜面からなる刃先を有する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表面に形成された、ダイヤモンド粒子の平均粒径２μｍ以下のダイヤモンド膜と、を具備し、前記刃先に所定間隔の溝を有し、その間を突起としたものである。

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稜線が形成され、前記稜線と前記稜線の両側の傾斜面からなる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、円板状のスクライビングホイール基材の円周に沿って側面の両側より互いに斜めに削り込むよう研磨して円周部分に斜面と稜線からなる刃先部分を形成し、前記スクライビングホイール基材の前記刃先部分の稜線に所定間隔で溝を形成し、その間を突起とし、前記スクライビングホイール基材の刃先部分にダイヤモンドの核を生成し、平均粒径２μｍ以下のダイヤモンド粒子から成るダイヤモンド膜を化学気相成長法によって成長させてダイヤモンド膜を形成したものである。

このような特徴を有する本発明によれば、ダイヤモンド粒子の粒径の大きいダイヤモンド膜から成るスクライビングホイールと比較すると、研磨によってスクライビングホイールの刃先の面粗さをより小さくすることができるため、脆性材料基板の端面精度が向上し、端面強度も向上させることもできるという効果が得られる。又硬度の高い脆性材料基板をスクライブする場合にも、稜線の部分に微細な凹凸に起因する欠けや剥離が生じ難くな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２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基材上にダイヤモンドの多層膜を生成させる状態を示す概念図である。 図３Ａは第１の実施の形態による刃先の研磨前の稜線部分の拡大断面図である。 図３Ｂ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４Ａ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４Ｂ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４Ｃは図４Ａに示す円形部分の拡大図である。 図５Ａは実施例１と比較例１によるスクライビングホイールの研磨前後の刃先角度と算術平均粗さを示す図である。 図５Ｂは実施例２と比較例２によるスクライビングホイールの研磨前後の刃先角度と算術平均粗さを示す図である。 図５Ｃは実施例３と比較例３によるスクライビングホイールの研磨前後の刃先角度と算術平均粗さを示す図である。

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、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、例えば、超硬合金、又はセラミック製のスクライビングホイール基材となる円板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に図示しないモータ等のシャフトを連通して貫通孔１２の中心軸を回転軸１２ａとして回転させつつ、円板１１の全円周を円板の表裏両側より回転軸１２ａに対して斜めに研磨して図１Ｂに示すように垂直断面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。

次に研磨面１３に形成するダイヤモンド薄膜の形成について説明する。まずＶ字形の研磨面１３をダイヤモンド膜の付着が容易になるようにあらかじめ粗面にしておく。次にスクライビングホイール基材１１を所定の温度、圧力、雰囲気等に保ち、図２（ａ）に刃先の稜線付近の拡大断面図を示すように研磨面の表面にダイヤモンドの核２０を生成する。この核は単結晶ダイヤモンドや単結晶ダイヤモンドを凝集したものから成っており、その外径が例えば数ｎｍ〜数十ｎｍである。そしてダイヤモンド核２０を化学気相成長法（ＣＶＤ法）によって成長させ、図２（ｂ）に示すようにダイヤモンド薄膜とする。この成長ではダイヤモンドの平均粒径を２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下とする。膜厚は例えば１０〜３０μｍとする。ダイヤモンド膜は膜厚が３０μｍを超えると成膜時に剥離し易くなり、１０μｍ未満であれば研磨後の膜厚が薄くなりすぎる。

なお、上記の成膜を複数回繰り返すことにより、必要な膜厚を得るようにしてもよい。具体的には、まずダイヤモンド核２０を化学気相成長法（ＣＶＤ法）によって成長させ、図２（ｂ）に示すように例えば２μｍの厚さのダイヤモンド薄膜を形成する。そして再び同一の温度、圧力、雰囲気等により図２（ｃ）に示すようにダイヤモンド薄膜の表面にダイヤモンドの核２０を生成する。そして図２（ｄ）に示すように同じ条件でダイヤモンドの平均粒径を２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下までダイヤモンドの核を成長させる。このようにダイヤモンドの核の付着と結晶成長を複数回繰り返すことによって、図２（ｅ）に示すように２層以上の複数の膜、例えば１０層の多層膜を形成することができる。

このようにして図３Ａに示すように研磨面１３の上に平均粒径を２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下のダイヤモンド膜１４を形成することができる。

この後、少なくとも先端部分を先端が鋭くなるように研磨する。図３Ｂはこの研磨した後の状態を示す部分拡大断面図である。ここで研磨は粗研磨と仕上げ研磨の２段階としてもよく、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回転軸１２ａ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３Ｂの研磨の幅ｗの領域はこの先端部分、すなわち稜線の両側のダイヤモンド膜の研磨領域を示しており、例えば幅ｗの値は１０〜３０μｍとする。こうして前述した膜厚のダイヤモンド膜を研磨すると、ダイヤモンド膜１４の稜線付近の最も薄い部分の厚さｄは例えば５μｍ〜２５μｍとなる。厚さｄは小さければスクライブ中にダイヤモンド膜が剥離する可能性があり、大きすぎれば内部応力で割れ易いという問題がある。また、ダイヤモンド膜を複数回形成して多層構造のダイヤモンド膜とした場合には、研磨量が多いと層の不連続性により研磨後の刃先の表面が不均一となる場合がある。このため、多層構造のダイヤモンド膜を研磨する場合には研磨量を少なくするなどして、刃先の表面を均一にするように研磨を行うとよい。

スクライビングホイールは、砥石などの研磨材によって研磨される。スクライビングホイールの刃先に形成されたダイヤモンド膜の一方の傾斜面を砥石によって粗研磨又は仕上げ研磨を行う。砥石によって加工することにより、傾斜面をスクライビングホイールの全周にわたって同一の角度で研磨することが容易となる。研磨工程では研磨後の表面の算術平均粗さＲａが０．０３μｍ以下、好ましくは０．０１５μｍ以下となるまで研磨する。また、稜線の算術平均粗さＲａが０．０３μｍ以下、好ましくは０．０１５μｍ以下となるまで研磨することが好ましい。本発明ではダイヤモンド膜１４の粒径を２μｍ以下とすることにより、研磨後の表面の算術平均粗さＲａが０．０３μｍ以下、好ましくは０．０１５μｍ以下となるように研磨することが容易にできる。

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ダイヤモンド膜の平均粗さが小さくなるため、刃先部分及び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、例えばセラミックス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。刃先及び稜線の粗さを細かくすることにより、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をスクライブするのに好適である。

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４Ａ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４Ｂは先の稜線部分の拡大断面図、図４Ｃは図４Ａに一点鎖線で示した円形部分の拡大図である。スクライビングホイールを製造する際には、超硬合金、又はセラミック製等のスクライビングホイール基材となる円板４１の中央にまず図４Ａに示すように軸穴となる貫通孔４２を形成する。次にこの貫通孔４２にモータ等のシャフトを連通して中心軸を中心に回転させつつ、円板４１の全円周を両側より研磨して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４３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法を繰り返すことによって多層のダイヤモンド膜４４をコーティングし、前述した方法で研磨する。ダイヤモンド膜４４を２０μｍとすると、図４Ｃに示すようにダイヤモンド膜４４の厚みの範囲内で溝４５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４４に溝４５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。

実施例によるスクライビングホイールの研磨前の状態と研磨後の状態について比較例と比較しつつ説明する。この実施例及び比較例はいずれも外径２ｍｍの超硬合金のスクライビングホイール基材を用いている。実施例１，２，３のスクライビングホイールはいずれも第１の実施の形態により化学気相成長法で粒径が２μｍ以下のダイヤモンド膜を形成したものであり、比較例１，２，３は粒径が５μｍ程度のより大きなダイヤモンド膜を形成したものである。実施例１と比較例１はいずれも研磨前の刃先角度が１１０°であり、粗研磨では８０００番の研磨材を用いて粗研磨終了後に刃先角度が１１５°となるように研磨し、仕上げ研磨では１５０００番の研磨材を用いて仕上げ研磨の終了後に１２０°となるように研磨したものである。ダイヤモンド膜１４の稜線付近の最も薄い部分の厚さｄは例えば２０μｍとする。この２つの例について稜線部分及びそこから一定距離離れた稜線に平行なライン上の傾斜面における算術平均粗さＲａは図５Ａに示すものであった。

実施例２及び比較例２は研磨前の刃先角度が１２５°であり、８０００番の研磨材を用いて粗研磨後に１３０°、１５０００番の研磨材を用いて仕上げ研磨後に１３５°となるように研磨したものである。この２つの例について稜線部分及びそこから一定距離離れた稜線に平行なライン上の傾斜面における算術平均粗さＲａは図５Ｂに示すものであった。

実施例３及び比較例３はいずれも刃先角度が研磨前に１４０°であり、８０００番の研磨材を用いて粗研磨後に１４５°、１５０００番の研磨材を用いて仕上げ研磨後に１５０°となるように研磨したものである。この２つの例について稜線部分及びそこから一定距離離れた稜線に平行なライン上の傾斜面における算術平均粗さＲａは図５Ｃに示すものであった。

実施例１〜３，比較例１〜３は、いずれも研磨時には表面が欠けることなく研磨加工が可能であった。実施例１〜３は比較例より１〜３よりも算術平均粗さが小さくなる。これはダイヤモンドの成長によって粒径が大きくなり、そのため平均粗さも大きくなってしまうからであると考えられる。そして粗研磨、仕上げ研磨を行っても実施例１〜３はいずれも粗粒の比較例よりも仕上げ状態が良く、実施例１〜３の算術平均粗さは最大でも実施例１の傾斜面の０．０１５μｍであった。また、実施例１〜３のスクライビングホイールにおいては、粗研磨の段階で算術平均粗さが０．０１５μｍ以下となるものもあった。従って、粒径が２μｍ以下のダイヤモンド膜を研磨してスクライビングホイールを製造する場合には、研磨工程を簡略化することができる。また、粒径の大きなダイヤモンド膜と同様の仕上げ研磨を行った場合には、表面の算術平均粗さをより小さくすることができるため、このスクライビングホイールを用いてスクライブ後に切断した脆性材料基板の端面精度をさらに向上させることができる。

本発明のスクライビングホイールは耐摩耗性、耐剥離性が高く、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。

１０，４０ スクライビングホイール
１１，４１ 円板
１２，４２ 貫通孔
１３，４３ 研磨面
１４，４４ ダイヤモンド膜
１６ 円周面
２０ ダイヤモンド核
４５ 溝

Claims (2)

1. 円周部に沿って稜線が形成され、前記稜線と前記稜線の両側の傾斜面からなる刃先を有する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表面に形成された、ダイヤモンド粒子の平均粒径２μｍ以下のダイヤモンド膜と、
   を具備し、
   前記刃先に所定間隔の溝を有し、その間を突起としたスクライビングホイール。
2. 円板の円周部に沿って稜線が形成され、前記稜線と前記稜線の両側の傾斜面からなる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、
   円板状のスクライビングホイール基材の円周に沿って側面の両側より互いに斜めに削り込むよう研磨して円周部分に斜面と稜線からなる刃先部分を形成し、 前記スクライビングホイール基材の前記刃先部分の稜線に所定間隔で溝を形成し、その間を突起とし、
   前記スクライビングホイール基材の刃先部分にダイヤモンドの核を生成し、平均粒径２μｍ以下のダイヤモンド粒子から成るダイヤモンド膜を化学気相成長法によって成長させてダイヤモンド膜を形成したスクライビングホイールの製造方法。