JP4836150B2 - カッターホイール - Google Patents

Description

この発明は、ガラス板の表面に押圧された状態で転動させることでスクライブライン（切筋）を加工するカッタホイールに関する。

ガラス板の表面にスクライブラインを加工（スクライビング）するために使用されるガラスカッターホイール２０は、図８に示すように直径φのディスク状に形成され、その外周面には所定の角度θのＶ字形状の刃先２１が形成されている。
スクライビングの過程は、図９に示すように、ガラスカッターホイール２０に荷重をかけてガラス板３０に押圧させ、接触部前縁で押し切る（図中の負荷過程）ように回転させる。負荷過程ではガラス板３０の刃先押し込み部に塑性変形が生じ、負荷の増大に応じて垂直クラック３３が刃先直下の弾性変形域３１と塑性変形域３２の境界から発生し、成長する。つぎにガラスカッターホイール２０の回転とともに接触部後縁で荷重が除荷され（図中の除荷過程）、垂直クラック３３は閉口し、垂直クラック３３の深部に残留歪み伸長クラック３４が生じる（例えば、非特許文献１、２参照）。

除荷過程では、荷重の大きさ、刃先の角度θが不適切であると水平クラック３５が弾性変形域３１と塑性変形域の境界３２から成長し、ガラス表面まで進展するとチッピングと呼ばれる不良となる。すなわち、水平クラックはスクライビング条件によって発生する場合があり、ガラス板の切断に不必要な要素で製品不良の原因となる。
森田昇、"砥粒加工学会誌"、Vol.45 No.7、2001 Jul.、335-337 留井ら、"2008年度砥粒加工学会学術講演会論文集"、P.179-184

ところで、垂直クラックはガラス板を切断するために深く形成されることが望ましい。垂直クラックを深くするために、ガラスカッターホイールによってガラス板に加える荷重を大きくすることも考えられる。
しかし、ガラス板に加える荷重を大きくすると、前記した水平クラックが生じやすくなり、製品品質が低下してしまうという問題がある。

本願発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、水平クラックの発生を抑制しつつ、垂直クラックを被加工材に深く形成することができるカッターホイールを提供することを目的とする。

すなわち、本発明のカッターホイールのうち、第１の本発明は、ガラス板にスクライブラインを加工するカッタホイールであって、ディスク状のカッターホイール本体の外周面に、軸方向両端部側から軸方向内側に向けて大径化する傾斜切り刃面がそれぞれ周方向に沿って形成され、該傾斜切り刃面間にこれら傾斜切り刃面の傾斜角度よりも大きな傾斜角度を有し互いに連なって軸方向幅が１〜５０μｍ、深さが１〜５０μｍとなる刃先を構成する刃先切り刃面がそれぞれ前記傾斜切り刃面に連なるように形成されており、
前記傾斜切り刃面および刃先切り刃面は、軸方向および径方向に沿った断面においてそれぞれが直線となる形状で形成され、傾斜切り刃面同士の傾斜角が１１０〜１５０度、刃先切り刃面同士の傾斜角が９０〜１２０度であることを特徴とする。

第２の本発明のカッターホイールは、前記第１の本発明において、前記傾斜切り刃面から前記刃先切り刃面にかけて、傾斜角度が段階的または連続的に変化する移行傾斜面を有することを特徴とする。

第２の本発明のカッターホイールは、前記第１の本発明において、前記傾斜切り刃面に、周方向に間隔を置いて凹凸形状が設けられていることを特徴とする。

すなわち、本発明によれば、ガラス板などの被加工材を加工する際にカッターホイールを被加工材表面に押し付けたとき、傾斜切り刃面を通して被加工材面が押圧され、これとともに刃先が前記押圧面よりも内側に深く押し込まれ、被加工材を押し切る。この際に、垂直クラックを発生させる引張応力が従来のカッターホイールと比べて被加工材表面からより深い位置で発生するために垂直クラックが深く形成され、また、カッターホイールが被加工材表面から離れ除荷するときには、水平クラックを発生させる引張応力が従来のカッターホイールと比べて水平クラックが発生する弾性変形域と塑性変形域の境界の位置から、より離れた位置で発生するため水平クラックの発生が抑制される。
これにより従来と同等の荷重においても水平クラックを抑制して垂直クラックを深く形成することができる。
また、水平クラックを抑制する作用が得られるため、従来よりも大きな荷重を加えて加工することも可能になる。

なお、上記カッターホイールの径、外周面幅などのサイズは特に限定されるものではないが、一般的なスクライブラインの大きさを考慮すれば、切り刃の軸方向幅は、１〜５０μｍの範囲内が適当であり、刃先深さは、１〜５０μｍが適当である。

また、傾斜切り刃面と刃先切り刃面の傾斜角度（カッターホイール軸方向に対する角度）は、相対的に刃先切り刃面の方が大きい。その作用をより有効に果たすため、傾斜切り刃面同士の交差角を１１０〜１５０度とする。

また、上記カッターホイールでは、傾斜切り刃面に周方向に間隔をおいて凹凸を設けることができる。該凹凸は、周方向において等間隔で設けても良く、また、間隔を変化させて設けても良い。該凹凸は、被加工材を加工させる際に被加工材表面に回転しつつ押し付けられることで荷重変動をもたらし、被加工材への刃先の押し込みが促進され、垂直クラックが深く入りやすくなるとともに、水平クラックの発生が抑制される。また、該凹凸を傾斜切り刃面にのみ設け、刃先切り刃面には設けないこととしたので被加工材に形成されるスクライブラインに凹凸形状が転写されることがなく、スクライブラインの形状精度を良好に維持することができる。

以上説明したように、本願発明のカッターホイールによれば、ガラス板にスクライブラインを加工するカッタホイールであって、ディスク状のカッターホイール本体の外周面に、軸方向両端部側から軸方向内側に向けて大径化する傾斜切り刃面がそれぞれ周方向に沿って形成され、該傾斜切り刃面間にこれら傾斜切り刃面の傾斜角度よりも大きな傾斜角度を有し互いに連なって軸方向幅が１〜５０μｍ、深さが１〜５０μｍとなる刃先を構成する刃先切り刃面がそれぞれ前記傾斜切り刃面に連なるように形成されており、前記傾斜切り刃面および刃先切り刃面は、軸方向および径方向に沿った断面においてそれぞれが直線となる形状で形成され、傾斜切り刃面同士の傾斜角が１１０〜１５０度、刃先切り刃面同士の傾斜角が９０〜１２０度であるので、垂直クラックが深く形成されるとともに、水平クラックの発生が抑制される効果がある。

（実施形態１）
以下に、この発明の一実施形態を図１、２に基づいて説明する。
この実施形態のカッターホイール１は、ディスク状のカッターホイール本体１ａを有し、該ホイール本体１ａの外周面に軸方向両端部から軸方向内側に向けて大径化する傾斜切り刃面２、２が周方向に沿って形成されており、該傾斜切り刃面２、２間に、同じく内側に向けて大径化するように周方向に沿って刃先切り刃面３ａ、３ａが形成されている。刃先切り刃面３ａ、３ａは、前記傾斜切り刃面２、２に連なっており、刃先切り刃面３ａ、３ａは内側で互いに連なって刃先３を構成している。

傾斜切り刃面２、２は、それぞれホイール本体１ａの水平外周面に対し、所定の傾斜角度α２で傾斜しており、刃先切り刃面３ａ、３ａも、同じくは、それぞれホイール本体１ａの水平外周面に対し、所定の傾斜角度α１で傾斜している。但し、傾斜切り刃面２、２の傾斜角度よりも、刃先切り刃面３ａ、３ａの傾斜角度の方が大きくなっている。この結果、刃先３の角度θ１（刃先切り刃面３ａ、３ａ同士の交差角）は、傾斜切り刃面２、２同士の交差角度θ２よりも小さくなっている。角度θ２は１１０〜１５０度とされる。また、刃先３の深さはＹとなる。

上記カッターホイール１を用いてガラス板３０を切断する動作について説明する。
従来と同様にカッターホイール１に荷重を加えてガラス板３０の表面にカッターホイール１を押し当てるとともにカッターホイール１を回転させる。これによりガラス板３０面上での加工位置が移動し、ガラス板３０の表面では負荷過程と除荷過程を経てスクライブラインが形成される。

図２（ａ）は、カッターホイール１によるガラス板３０への負荷過程を示すものである。刃先３の角度が傾斜切り刃面２の交差角よりも小さくなっており、ガラス板３０の深い位置まで刃先３が押し込まれて従来と同程度の荷重負荷によっても、より深くまで塑性変形域３２ａを形成することができる。また、傾斜切り刃面２を介してガラス板３０表面に荷重が加わり、塑性変形域３２ａの深部側に弾性変形域３１ａが形成される。この結果、垂直クラック３３ａは深くまで形成され、その一方で、水平クラックの形成は抑制される。除荷後には、図２（ｂ）に示すように、ガラス板３０に、水平クラックの発生を抑制しつつ深い位置まで伸びた垂直クラック３３ａが形成されている。

なお、上記では、傾斜切り刃面同士、刃先切り刃面同士を同一の符号を付して説明したが、傾斜切り刃面同士、刃先切り刃面同士で傾斜角度が異なるものであってもよい。刃先切り刃面は、自身が連なる傾斜切り刃面に対し、前記傾斜角度が大きくなっていれば良く、他方の傾斜切り刃面との傾斜角度の大小は限定されない。ただし、他方の傾斜切り刃面に対しても傾斜角度が大きくなっているのが望ましい。

また、上記形態では、被加工材としてガラス板を示して説明をしたが、本願発明としては被加工材の対象がガラス板に限定されるものではなく、その他の材料、例えば、セラミックス、半導体ウェハーなどの脆性材料であっても良い。ただし、水平クラックの発生が生じやすいガラスにおいて、本願発明は特に好適に適用される。

（実施形態２）
以下に、この発明の他の実施形態を図３に基づいて説明する。
この実施形態２でも、前記実施形態１と同様に、カッターホイールの外周面に、傾斜切り刃面２、２と、傾斜切り刃面間に傾斜切り刃面２よりも傾斜角度の大きい刃先切り刃面３ａ、３ａを有している。

さらに、この実施形態のカッターホイールでは、図３（ａ）（ｂ）に示すように、傾斜切り刃面２ａ、２ａに、周方向に間隔をおいて長穴形状の凹部５…５が形成されている。該凹部５の周方向の辺は、それぞれ外側に膨らむ曲面形状に形成されている。該凹部５、５の配置間隔ｐは特に限定されるものではないが、例えば、６０〜１００μｍを示すことができる。また、凹部５の深さも本発明としては特に限定されるものではない。該凹部５の形成方法は特に限定されるものではなく、適宜の加工方法などにより形成することができる。

この実施形態のカッターホイールにおいても、上記実施形態で説明したように、傾斜切り刃面とは傾斜角度が異なる刃先を有することによって、水平クラックの発生を抑制しつつ垂直クラックを深く形成することができる。さらに、スクライブラインを形成する際に、上記凹部５が時間を経てガラス表面に当たるために、ガラス表面に加わる荷重が変化して、刃先の押し込みが促進され、垂直クラックをより深く形成することができるとともに水平クラックの生成が抑制される。また、刃先には凹部が形成されていないため、スクライブラインの形状が粗くなることがなく、良好な形状精度を保つことができる。

図３（ｃ）は、上記凹部の変更例を示すものであり、傾斜切り刃面２、２に、縦横が略同寸法の凹部６…６が周方向に間隔を置いて形成されている。該凹部６の周方向辺は、いずれも刃先切り刃面側に膨らむ曲面形状に形成されている。

図３（ｄ）は、上記凹部の他の変更例を示すものであり、傾斜切り刃面２、２に、軸方向に長尺な細溝形状の凹部７…７が周方向に間隔を置いて形成されている。

また、図３（ｅ）は、傾斜切り刃面に凸部８…８が周方向に間隔を置いて形成された例を示すものである。
すなわち、傾斜切り刃面には、凹凸のいずれの形状を形成しても良く、これらを混合したものであってもよい。また、凹凸は、２つの傾斜切り刃面の両方に形成してもよく、片方にのみ形成するものであってもよい。また、二つの傾斜切り刃面の両方に凹凸を形成する場合、周方向で揃った位置で傾斜切り刃面に形成されたものであってもよく、また、周方向で位置をずらして、二つの傾斜切り刃面に周方向において交互に位置するように設けたものであってもよい。

上記凹凸は、傾斜切り刃面のうち、少なくとも被加工材にカッターホイールを押し当てた際に被加工材に接触する部分に設けられている必要があり、刃先切り刃面に近い位置に設けるのが望ましい。

以下に、本発明の実施例を説明する。
この実施例では、前記実施形態の刃先形状を持つカッターホイールと従来の刃先形状をもつカッターホイールを前提とした。刃先形状は下記の３種類である。
（１）従来例１（図８）：刃先角度θ＝９０°
（２）従来例２（図８）：刃先角度θ＝１５０°
（３）発明例（図１；２段切り刃面）：
刃先角度θ１＝９０°、傾斜切り刃面交差角度θ２＝１５０°、刃先深さ＝１０μｍ
刃先角度θ１＝９０°、傾斜切り刃面交差角度θ２＝１５０°、刃先深さ＝１５μｍ
刃先角度θ１＝６０°、傾斜切り刃面交差角度θ２＝１５０°、刃先深さ＝１０μｍ
刃先角度θ１＝１２０°、傾斜切り刃面交差角度θ２＝１５０°、刃先深さ＝１０μｍ
（４）参考例
刃先角度θ１＝６０°、傾斜切り刃面交差角度θ２＝１５０°、刃先深さ＝１０μｍ

実施例では、カッターホイールに荷重をかけ、ガラス表面に押しつけてスクライブラインを形成した後、除荷するというスクライビング過程におけるガラス内部に生じる応力状態を有限要素法（Finite Element Method）による弾塑性解析でシミュレートして比較した。

図４に発明例のカッターホイールによるスクライブ最大荷重時の塑性域と応力分布のコンター図を示す。塑性変形によりスクライブラインが形成されており、塑性域の直下で垂直クラックを発生させる水平方向の引張り応力が作用していることがわかる。

図５に従来例と本発明例のカッターホイールのスクライブ最大荷重時のガラス板厚方向の水平方向応力分布を示す。本発明例のカッターホイールは、従来例、刃先角度１５０°のカッターホイールと比べ垂直クラックを発生させる応力が大きいことがわかる。このことは従来例、刃先角度１５０°のカッターホイールと比べて垂直クラックが深く形成されることを意味している。従来例、刃先角度９０°のカッターホイールについては垂直クラックを発生させる応力は最も大きいが、後述の水平クラックを発生する応力が大きく製品不良となる可能性が大きい。

図６に、図４に示した本発明例のカッターホイールのスクライブ除荷時の塑性域と応力分布のコンター図を示す。
図７に従来例と本発明例のカッターホイールのスクライブ除荷時のガラス板厚方向の垂直方向応力分布の比較を示す。
この図より、本発明例のカッターホイールは、従来例の刃先角度９０°のカッターホイールと比べ水平クラックを発生させる塑性域直下の垂直方向引張最大応力ははるかに小さく、従来例の刃先角度１５０°と同程度である。このことより、本発明例のカッターホイールでは従来の刃先角度９０°のカッターホイールより水平クラックが発生しがたいことを意味する。

以上、本発明について上記実施形態および実施例に基づいて説明を行ったが、本発明は、これら説明の内容に限定されるものではなく、本発明を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。

本発明の一実施形態におけるカッターホイールを示す正面図、側面図およびｃ部拡大図である。 同じく、実施形態のカッターホイールを用いた加工過程を説明する図である。 本発明のさらに他の実施形態におけるカッターホイールを示す一部拡大側面図および変更例を示す図である。 本発明の実施例における発明例のスクライブ最大荷重時の塑性域と応力分布を示すコンター図である。 同じく、発明例および従来例のスクライブ最大荷重時のガラス板厚方向の水平方向応力分布を示す図である。 本発明の実施例における発明例の除荷時の塑性域と応力分布を示すコンター図である。 同じく、発明例および従来例の除荷時のガラス板厚方向の水平方向応力分布を示す図である。 従来のカッターホイールを示す正面図および側面図である。 従来のカッターホイールを用いた加工過程を説明する図である

符号の説明

１ カッターホイール
１ａ カッターホイール本体
２ 傾斜切り刃面
３ 刃先
３ａ 刃先切り刃面
５、６、７ 凹部
８ 凸部
３０ ガラス
３３、３３ａ 垂直クラック
３５ 水平クラック

Claims (2)

1. ガラス板にスクライブラインを加工するカッタホイールであって、
   ディスク状のカッターホイール本体の外周面に、軸方向両端部側から軸方向内側に向けて大径化する傾斜切り刃面がそれぞれ周方向に沿って形成され、該傾斜切り刃面間にこれら傾斜切り刃面の傾斜角度よりも大きな傾斜角度を有し互いに連なって軸方向幅が１〜５０μｍ、深さが１〜５０μｍとなる刃先を構成する刃先切り刃面がそれぞれ前記傾斜切り刃面に連なるように形成されており、
   前記傾斜切り刃面および刃先切り刃面は、軸方向および径方向に沿った断面においてそれぞれが直線となる形状で形成され、傾斜切り刃面同士の傾斜角が１１０〜１５０度、刃先切り刃面同士の傾斜角が９０〜１２０度であることを特徴とするカッターホイール。
2. 前記傾斜切り刃面に、周方向に間隔を置いて凹凸形状が設けられていることを特徴とする請求項１記載のカッターホイール。