JP6332618B2 - スクライブ用カッターホイール並びにスクライブ装置 - Google Patents

Description

本発明は、脆性材料基板、特に強化ガラスを含むガラス基板をスクライブするためのカッターホイール並びにスクライブ装置に関する。ここで、「強化ガラス」とは、製造工程中におけるイオン交換による化学的処理により、ガラス板の表面層（表面から深さが５μｍ〜５０μｍ程度）に圧縮応力が残留する圧縮応力層が形成され、ガラス板内部に引張応力が残留するように製造されたガラスをいう。
強化ガラスの特徴は、圧縮応力層の影響で外力に対し割れにくい性質を有する反面、一旦、ガラス板表面に亀裂が生じて残留引張応力が存在するガラス板内部まで進むと、今度は逆に亀裂が深く浸透しやすくなる性質を有している。

一般に、ガラス板をカッターホイールで分断する方法は、まずガラス板表面にカッターホイール（スクライビングホイールともいう）で有限深さのスクライブライン（リブマーク）を形成する工程と、その後、ガラス板の裏側からスクライブラインに沿ってブレイクバーやブレイクローラで押圧することによりブレイクする工程とからなる（特許文献１並びに特許文献２参照）。

ガラス板をカッターホイールでスクライブする方法には、「外切り」と「内切り」とがあり、ガラス板の種類や厚み、用途によって、外切りと内切りのスクライブ方法が選択的に使い分けられている（特許文献２参照）。

特許第３０７４１４３号公報 特開２００９−２０８２３７号公報

前者の「外切り」は、図７（ａ）に示すように、カッターホイールＫの最下端をガラス板Ｍの表面（上面）よりわずかに下方まで降下した状態で、ガラス板Ｍの片側端部の外側位置（スクライブ開始位置）にセットする。そしてセットした位置から水平移動させ、ガラス板Ｍ端部に衝突させてイニシャルクラックを形成し、さらに所定のスクライブ圧で押圧しながら、カッターホイールＫを水平移動させるようにしてスクライブを行う方法である。

上記した外切りの手法では、ガラス板Ｍ端部でのカッターホイールＫの刃先のかかり（食い込み）がよく、イニシャルクラックを容易に形成することができるとともに、加工されたスクライブラインはガラス板Ｍの端部まで達しているため、次工程でのブレイクが容易かつ正確に行える。
しかし、強化ガラス板の場合は、その表面層の残留応力の影響でガラス板端部に刃先を食い込ませるのに強い押圧荷重を必要とし、特に図８に示すような端面Ｒを面取りした基板では刃先がすべりやすいことからさらに強い押圧荷重を必要として、基板端部での衝突時の衝撃が大きくなる。このため、強化ガラス板の端部にカケが生じたり、ガラス板端部から破断して不規則な亀裂が先走ったりすることがある。また、カッターホイール側にも強化ガラス板端部との強い衝突で刃先の摩耗や刃こぼれ等が生じやすく、使用寿命が短くなる。

後者の「内切り」は、図７（ｂ）に示すように、ガラス板Ｍの端縁から２ｍｍ〜１０ｍｍ程度内側（スクライブ開始位置）にてカッターホイールＫを上方から下降させてガラス板Ｍに所定のスクライブ圧で当接させ、押圧しながらカッターホイールＫを水平移動させるようにしてスクライブを行う方法である。

上記した内切りの手法では、カッターホイールＫがガラス板Ｍ端部と衝突するようなことがないため、ガラス板Ｍ端部にカケを生じるおそれがない。また、刃先の消耗についても外切りの場合に比べて抑えることができる。
しかし、強化ガラス板の場合には、刃先を押し下げてガラス板表面に当接させたときに、ガラス板表面層への刃先の食い込みが非常に悪く、そのため、スリップが発生してスクライブ加工が困難となる場合がある。また、刃先を食い込ませるために強い押圧荷重でスクライブすると、強化ガラス板内部の残留引張応力の影響で一挙に破断して完全分断したり、刃先の先端角度を小さくすると、不規則な亀裂が刃先の進行方向前方に生じる先走りが発生しやすくなったりするなどの不具合が発生することがある。

このように、強化ガラス板に対しては、従来から使用されているソーダガラス板等に対するスクライブ加工とは異なり、「外切り」によっても、また、「内切り」によっても、うまくスクライブラインを形成することが困難であった。この傾向は、ガラス板表面の圧縮応力層が厚くて残留応力が大きいガラス板や、液晶表面を保護するカバーガラス等のように４隅部を曲線状にスクライブする場合に顕著に現れる。

そこで、本発明は、加工困難な強化ガラス製のガラス板であっても、「外切り」の手法によって低荷重で確実にスクライブラインを形成することができるカッターホイール並びにスクライブ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成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、刃先となる円形の稜線と、当該稜線から続く左右斜面とからなる刃先領域を備えたカッターホイールであって、前記左右斜面によって形成される刃先角度が１２５°以上の鈍角であり、前記刃先領域の幅が、予定されるスクライブラインの幅と同等もしくはそれ以下の値であって１０μｍ〜３０μｍであり、前記カッターホイールの左右幅が前記刃先領域の幅より大きく形成され、当該カッターホイールの左右側面と前記稜線とを結ぶ左右の傾斜面に窪み部を有する構成とした。

本発明のカッターホイールは、スクライブ装置に組み込まれているスクライブヘッドのホルダに取り付け、テーブル上に載置した強化ガラス板に対し「外切り」の手法でスクライブする際に使用される。このスクライブの際、刃先領域の幅は、予定されるスクライブラインの幅と同等もしくはそれ以下の値であって１０μｍ〜３０μｍの細幅としたので、外切りの工程で刃先が強化ガラス板の端部に乗り上げたときに、刃先に集中荷重が負荷されることによって低荷重であっても効率的にイニシャルクラックを形成することができ、引き続いて行うスクライブラインの加工を従来のカッターホイールより低荷重で形成することができる。また、刃先領域の幅が小さくても、刃先角度が１２５°以上の鈍角となっていることから、先走りが発生しにくく、またスクライブに必要な刃先強度を維持することができて、刃こぼれ等を抑制することができるといった効果がある。さらにまた、幅狭の刃先領域は、左右幅を刃先領域より広くしたカッターホイールのボディ部分に連なって支えられているので、スクライブに必要な強度を保持することができ、スクライブ中の破損を抑制することができる。

上記発明において、前記カッターホイールが放電加工可能な材料で形成される構成とするのがよい。
これにより、放電加工の治具電極を左右の傾斜面に押しつけるだけで、幅狭で微細な刃先領域を容易かつ精密に加工することができるとともに、放電加工によって切除した窪み部は、スクライブ時に加工すべきガラス板に接触してスクライブする部分ではないので、研磨仕上げ等の後処理を必要とせず、そのまま製品として使用することができる。

本発明に係るスクライブ装置を示す概略的な正面図。 本発明に係るカッターホイールを示す正面図。 図２のカッターホイールの刃先領域を示す拡大断面図。 カッターホイールが強化ガラスの端部に乗り上げた状態を示す拡大断面図。 刃先加工前のカッターホイールを示す正面図。 カッターホイールに形彫り放電加工で窪み部を施す際の説明図。 外切りと内切りの手法を示す説明図。 加工すべき強化ガラスの端部を示す斜視図。

以下において、本発明のカッターホイール並びに当該カッターホイールを用いたスクライブ装置について、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係るスクライブ装置を示すものであって、脆性材料基板Ｗを載置して保持するテーブル１を備えている。脆性材料基板としては、例えばガラス基板や、低温焼成セラミックスや高温焼成セラミックス等からなるセラミック基板、シリコン基板、化合物半導体基板、サファイア基板、石英基板などが挙げられる。本実施例においては、脆性材料基板として強化ガラス板を用いた。テーブル１は、水平なレール２に沿ってＹ方向（図１の前後方向）に移動できるようになっており、モータ（図示せず）によって回転するネジ軸３により駆動される。さらに、テーブル１はモータを内蔵する回転駆動部４により水平面内で回動できるようになっている。

テーブル１を挟んで設けてある両側の支持柱５、５と、Ｘ方向に水平に延びるビーム（横桟）６とを備えたブリッジ７が、テーブル１上を跨ぐようにして設けられている。ビーム６には、Ｘ方向に水平に延びるガイド９が設けられ、このガイド９にはスクライブヘッド１０がモータ８によってＸ方向に移動できるように取り付けられている。

スクライブヘッド１０の下部には、テーブル１上に載置される強化ガラスＷの表面をスクライブ加工するカッターホイールＡを保持するホルダ１１が設けられている。ホルダ１１は、流体シリンダ１２によってカッターホイールＡと共に昇降できるように形成されている。

図２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３はその刃先領域の拡大断面図である。
カッターホイールＡは、工具特性に優れた硬質材料から作られ、かつ、周面に刃先領域２０を備えている。刃先領域２０は、刃先となる円形の稜線２１と、この刃先稜線２１から続く左右斜面２２ａ、２２ｂとによって形成されている。左右斜面２２ａ、２２ｂの傾斜端は窪み部２３のエッジに連なっている。窪み部２３は、図３に示すように、左右斜面２２ａ、２２ｂを延長した仮想傾斜面２４ａ、２４ｂをえぐるようにして形成されており、これにより刃先領域２０の左右幅Ｌ１が細くなっている。

この刃先領域２０の左右幅Ｌ１は加工されるスクライブラインの予定幅と同等もしくはそれ以下の近傍値で設定されており、１０μｍ〜３０μｍ、好ましくは１０μｍ〜２０μｍの範囲で形成されている。ここで、スクライブラインの予定幅は刃先稜線の角度αと、基板に刃先領域２０の一部が食い込む深さから計算して求められる。例えば、刃先角度が１４０°、刃先の食い込み深さが３μｍのときに、予定されるスクライブラインの幅は約１６μｍとなり、刃先角度が１５０°、刃先の食い込み深さが３μｍのときのスクライブライン予定幅は約２２μｍとなる。刃先領域２０の幅Ｌ１は、このスクライブラインの予定幅と同じか、それより小さい値とするのがよい。しかしながら、刃先領域２０の幅Ｌ１が１０μｍより小さい場合には、突出した刃先領域２０の強度を保つことが難しくなる。
また、カッターホイールＡの直径は約０．５ｍｍ〜６．０ｍｍ、好ましくは１．０ｍｍ〜３．０ｍｍ、厚みＬ２は約０．４ｍｍ〜１．２ｍｍのサイズで形成され、刃先領域２０の左右斜面２２ａ、２２ｂによって形成される刃先稜線の角度αは、１２５°以上の鈍角、好ましくは１４０°〜１６０°で形成されている。また、窪み部２３の深さは仮想傾斜面２４ａ、２４ｂから１．０μｍ〜３０．０μｍ、好ましくは３．０μｍ〜１０．０μｍとなっている。
本実施例では、カッターホイールＡの直径を２．５ｍｍ、厚みＬ２を０．６５ｍｍとし、刃先角度αを１５０°とし、刃先領域２０の幅Ｌ１を１５μｍとした。また、刃先の食い込み深さは通常１．０μｍ〜５．０μｍであり、好ましくは１．０μｍ〜３．０μｍである。

上記したカッターホイールＡは、例えば次のような加工方法で容易に作製することができる。
図５に示すように、円形の刃先稜線２１’と、これに連なる左右の傾斜面２５、２５を備えたカッターホイールＢを、放電加工可能な硬質材料、例えば超硬合金または焼結ダイヤモンド、導電性を有する単結晶ダイヤモンドまたは多結晶ダイヤモンドによって作製する。この場合、左右の傾斜面２５、２５によって形成される刃先角度αを、製品となるカッターホイールＡの刃先角度と同じにする。このようなカッターホイールＢは、刃先角度αが製品となるカッターホイールＡの刃先角度と同じであれば、一般的なスクライブ用カッターホイールをそのまま利用することもできる。また、カッターホイールＢとして刃先稜線２１’部分に溝を設けたカッターホイールを用いることもできる。
このカッターホイールＢの刃先稜線２１’近傍の先端部分（図２の刃先領域２０となる部分）を残すとともに、先端部分に続く左右の傾斜面２５、２５の一部を放電加工により切除することにより窪み部２３（図３参照）を形成する。
これにより、図５で示したカッターホイールＢに追加加工を行うことによって本発明のカッターホイールＡを形成することができる。

ここで、カッターホイールＢに窪み部２３を形彫り放電加工で加工する方法の一例を図６に示す。
この方法では、カッターホイールＢの軸穴２６に回転軸（図示せず）を嵌め込み、カッターホイールＢを回転させながら、切除すべき部分の反転形状を有する雌型２７を備えた治具電極２８を、回転するカッターホイールＢの左右の傾斜面２５、２５に対して同時に、または交互に押しつけることにより傾斜面２５の一部を１．０μｍ〜３０．０μｍの深さで切除する。これにより、カッターホイールＢの刃先稜線２１’に続く左右の傾斜面２５、２５の一部が陥没し、刃先領域２０の幅Ｌ１（図３参照）を狭くする窪み部２３が形成されたカッターホイールＡが作製される。

上述したカッターホイールＡを用いてスクライブ加工を行う場合は、このカッターホイールＡをスクライブヘッド１０のホルダ１１に取り付ける。そして、テーブル１を移動させて強化ガラスＷの位置決めを行った後にカッターホイールＡを下降させて、前述した「外切り」の手法で強化ガラスＷにスクライブ加工を行う。

発明者等は、カッターホイールＡの押圧荷重を、従来のガラス板のスクライブ荷重と同じく０．１４ＭＰａの低荷重で外切りの手法による強化ガラスＷのスクライブ実験を行った結果、イニシャルクラックとして充分な深さの溝を、欠けや不規則な破断を生じさせることなく形成することができた。
図４は上記実験値から、カッターホイールＡが強化ガラスＷの端部に乗り上げたときの状態を推測した拡大断面図である。刃先稜線２１のガラス板Ｗへの食い込み深さＬ３を３μｍとすると、刃先が食い込んだ部分の幅は、刃先角度１５０°から計算して刃先領域２０の幅Ｌ１及びスクライブ予定幅の２２μｍより小さい約１５μｍとなる。このように、低荷重であっても有効なイニシャルクラックが形成されるのは、細く加工した刃先領域２０の部分に荷重が集中するためであると考えられる。このイニシャルクラックを形成した後、引き続いてカッターホイールＡを上記押圧荷重で押しつけながら進行させることにより、強化ガラスＷにスクライブラインを刃先領域２０の幅Ｌ１で効率よく形成することができる。
また、本実施例では、幅狭の刃先領域２０は、左右幅を刃先領域２０より広くしたカッターホイールＡのボディ部分に連なって形成されているので、スクライブに必要な強度を保持することができ、スクライブ中の破損を抑制することができる。

上記のように本発明に係るカッターホイールＡは、刃先領域２０の幅Ｌ１を、予定されるスクライブラインの幅と同等もしくはそれ以下の値であって１０μｍ〜３０μｍの細幅としたので、外切りの手法で刃先が強化ガラスＷの端部に乗り上げたときには、刃先に集中荷重が負荷されて低荷重であっても効率的にイニシャルクラックを形成することができるとともに、引き続いて行うスクライブラインの加工を、従来のカッターホイールより低荷重で形成することができる。また、刃先領域２０の幅Ｌ１が小さくても、刃先角度が１２５°以上の鈍角であることから、先走りが発生しにくく、スクライブに必要な刃先強度を維持することができて刃こぼれ等を抑制することができる。

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、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、脆性材料基板にスクライブラインを加工する際に使用されるカッターホイール並びにスクライブ装置に適用される。

Ａ カッターホイール
Ｌ１ 刃先領域の幅
Ｌ２ カッターホイールの幅
Ｗ 強化ガラス
α 刃先角度
１ テーブル
１０ スクライブヘッド
１１ ホルダ
２０ 刃先領域
２１ 刃先稜線
２２ａ、２２ｂ 左右斜面
２３ 窪み部

Claims (3)

1. 刃先となる円形の稜線と、当該稜線から続く左右斜面とからなる刃先領域を備えたカッターホイールであって、前記左右斜面によって形成される刃先角度が１２５°以上の鈍角であり、前記刃先領域の幅が、予定されるスクライブラインの幅と同等もしくはそれ以下の値であって１０μｍ〜３０μｍであり、前記カッターホイールの左右幅が前記刃先領域の幅より大きく形成され、当該カッターホイールの左右側面と前記稜線とを結ぶ左右の傾斜面に窪み部を有するスクライブ用カッターホイール。
2. 前記カッターホイールの材料が放電加工可能な超硬合金または焼結ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンドまたは多結晶ダイヤモンドである請求項１に記載のスクライブ用カッターホイール。
3. 前記請求項１または２に記載のカッターホイールを、ホルダを介して保持するスクライブヘッドと、加工すべき脆性材料基板を載置するテーブルとを備え、前記スクライブヘッドを前記脆性材料基板に対して相対的に移動させることにより、前記カッターホイールの刃先で前記脆性材料基板の表面に有限深さのスクライブラインを形成するようにしたスクライブ装置。

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