(57)【要約】【課題】光ファイバやガラス基板等の脆性材料を切断あるいはスクライブするための切断刃において、ダイヤモンドの耐摩耗性を十分生かしつつ、かつ滑りや切断品位の悪化を防止できるダイヤモンド被覆切断刃の提供。【解決手段】基材と、前記基材の表面を被覆したダイヤモンド層とを含むダイヤモンド被覆切断刃であって、前記切断刃の切れ刃部分におけるダイヤモンド層の平均膜厚が０．５μｍ以上８．０μｍ以下であり、前記ダイヤモンド層の表面におけるダイヤモンド平均粒径が０．５μｍ以上６．０μｍ以下であり、前記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ことを特徴とする、ダイヤモンド被覆切断刃。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、前記基材の表面を被覆したダイヤモンド層とを含むダイヤモンド被覆切断刃であって、
前記切断刃の切れ刃部分におけるダイヤモンド層の平均膜厚が０．５μｍ以上８．０μｍ以下であり、
前記ダイヤモンド層の表面におけるダイヤモンド平均粒径が０．５μｍ以上６．０μｍ以下であり、
前記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ことを特徴とする、ダイヤモンド被覆切断刃。
【請求項２】
前記ダイヤモンド層の平均膜厚が１．０μｍ以上５．０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のダイヤモンド被覆切断刃。
【請求項３】
前記ダイヤモンド平均粒径が２．０μｍ以上４．５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載のダイヤモンド被覆切断刃。
【請求項４】
前記切断刃の切れ刃部分におけるダイヤモンド層表面の算術平均粗さＲaが、０．３μｍ以上３．０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤモンド被覆切断刃。
【請求項５】
前記基材が、超硬合金、ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化ホウ素焼結体、シリコン多結晶、炭化珪素、窒化アルミニウム、及び窒化珪素からなる群より選ばれる一種以上からなることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のダイヤモンド被覆切断刃。
【請求項６】
前記ダイヤモンド層は、切れ刃先端から少なくとも５μｍ幅の基材表面上に連続膜として存在し、それ以外の部分はダイヤモンド層が存在しないか、又は不連続なダイヤモンド層であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のダイヤモンド被覆切断刃。
【請求項７】
前記切断刃が回転式であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のダイヤモンド被覆切断刃。
【請求項８】
前記ダイヤモンド層が、多結晶ダイヤモンドからなることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のダイヤモンド被覆切断刃。
【請求項９】
前記ダイヤモンド層が、化学気相成長法により形成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載のダイヤモンド被覆切断刃。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンド被覆切断刃に関し、特に光ファイバの切断や、ガラス・セラミック・半導体等の脆性材料のスクライブに好適なダイヤモンド被覆切断刃に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは現存する物質中最高の硬度を持ち、古くから天然ダイヤモンドや、超高圧ダイヤモンド焼結体等により、切削、研削、耐磨等の工具用途への応用が図られてきた。１９８０年代に化学気相成長（ＣＶＤ）法による、ダイヤモンド薄膜製造技術が確立されてからは、比較的高い形状自由度を獲得し、ドリル、エンドミル等、複雑曲面を持つ切削工具への応用展開を目指して技術開発が盛んになった。近年では、航空機産業で需要が増加している繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆiber Ｒeinforced Ｐlastics）や、Ａl，Ｔi等加工時に溶着しやすい金属との複合構造材料、及び、非金属、ガラス、セラミックス等の難削材加工用で需要が拡大している。
【０００３】
一方、光ファイバの切断刃や、ガラス、セラミック、半導体等の脆性基板をスクライブ（割断）するための切断刃としては、これまで主に超硬合金が用いられてきた。超硬合金で寿命や加工精度に不満がある用途に関しては、例えば特許文献１や特許文献２に示すようなダイヤモンド焼結体を用いて、耐摩耗性を向上することで解決を図っている。ダイヤモンド焼結体は耐摩耗性が超硬合金よりも優れているが、一方でダイヤモンド粒子の脱落等があるために、実際の寿命はその耐摩耗性を十分生かし切れていないのが実情である。この問題を解決するため、例えば特許文献３では、セラミック製切断刃にＣＶＤダイヤモンドを被覆した例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−２３２４０４号公報
【特許文献２】特開２００４−０５８３０１号公報
【特許文献３】特開平４−２２４１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献３は、主としてガラス基板の切断用を想定しており、ダイヤモンド膜の膜厚が２０μｍの比較的厚い膜を被覆した例が開示されている。本発明者は、同条件で光ファイバカッタを作製しその性能を検証した結果、刃先が未研磨のままでは刃先Ｒが大きいために切断不可能であったり、切断できても切断面が不規則で光ファイバの融着後に伝送損失を生じたりする場合があることが分かった。さらに刃先を研磨した例では摩擦抵抗が小さいために滑りが生じて光ファイバを切断できないことも判明した。他方、半導体基板等のスクライビングにおいてもその膜厚だけでなく、ダイヤモンド粒径（表面粗さ）によっても、刃先Ｒや滑りの影響により未切断や切断品位の悪化が起きることが分かった。
【０００６】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、光ファイバやガラス基板等の脆性材料を切断あるいはスクライブするための切断刃において、ダイヤモンドの耐摩耗性を十分生かしつつ、かつ滑りや切断品位の悪化を防止できるダイヤモンド被覆切断刃を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明は以下の態様を有する。
（１）基材と、前記基材の表面を被覆したダイヤモンド層とを含むダイヤモンド被覆切断刃であって、前記切断刃の切れ刃部分におけるダイヤモンド層の平均膜厚が０．５μｍ以上８．０μｍ以下であり、前記ダイヤモンド層の表面におけるダイヤモンド平均粒径が０．５μｍ以上６．０μｍ以下であり、前記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ことを特徴とする、ダイヤモンド被覆切断刃。
（２）前記ダイヤモンド層の平均膜厚が１．０μｍ以上５．０μｍ以下であることを特徴とする、上記（１）に記載のダイヤモンド被覆切断刃。
（３）前記ダイヤモンド平均粒径が２．０μｍ以上４．５μｍ以下であることを特徴とする、上記（１）または（２）に記載のダイヤモンド被覆切断刃。
（４）前記切断刃の切れ刃部分におけるダイヤモンド層表面の算術平均粗さＲaが、０．３μｍ以上３．０μｍ以下であることを特徴とする、上記（１）〜（３）のいずれかに記載のダイヤモンド被覆切断刃。
（５）前記基材が、超硬合金、ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化ホウ素焼結体、シリコン多結晶、炭化珪素、窒化アルミニウム、及び窒化珪素からなる群より選ばれる一種以上からなることを特徴とする、上記（１）〜（４）のいずれかに記載のダイヤモンド被覆切断刃。
（６）前記ダイヤモンド層は、切れ刃先端から少なくとも５μｍ幅の基材表面上に連続膜として存在し、それ以外の部分はダイヤモンド層が存在しないか、又は不連続なダイヤモンド層であることを特徴とする、上記（１）〜（５）のいずれかに記載のダイヤモンド被覆切断刃。
（７）前記切断刃が回転式であることを特徴とする、上記（１）〜（６）のいずれかに記載のダイヤモンド被覆切断刃。
（８）前記ダイヤモンド層が、多結晶ダイヤモンドからなることを特徴とする、上記（１）〜（７）のいずれかに記載のダイヤモンド被覆切断刃。
（９）前記ダイヤモンド層が、化学気相成長法により形成されていることを特徴とする、上記（１）〜（８）のいずれかに記載のダイヤモンド被覆切断刃。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のダイヤモンド被覆切断刃は、上記のような構成を有することにより、光ファイバやガラス基板等の脆性材料を切断あるいはスクライブする際に、空転や滑りなく効率的に切断することができる。加えて高い切断品位を求められる用途においても、加工精度高く、再現性よく切断することができ、ダイヤモンドの高耐摩耗性を最大限に発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】光ファイバカッタに搭載可能な円形刃の形状を表す図である。
【図２】ダイヤモンド被覆後の光ファイバカッタを切れ刃外周方向から撮影したＳＥＭ像を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
本発明者らは、ダイヤモンドを被覆した光ファイバカッタにおけるダイヤモンド層の状態と、切断性能の関係を詳細に調査した。その結果、以下の知見が得られた。
１）ダイヤモンド被覆後の切れ刃先端Ｒが８．０μｍを超えると、未切断確率が急上昇し、切断できたものについても、その切断面が不規則で融着後の伝送損失が上昇する。
２）切れ刃先端Ｒが８．０μｍ以下であっても、表面ダイヤモンドの粒径が０．５μｍより小さいいわゆる「微粒（微結晶）ダイヤモンド」であったり、ダイヤモンド被覆後に表面を研磨等で加工して平坦化したりしてしまうと、切断刃の空転や滑りが生じ、切断できなくなる。
３）上記２条件をクリアしても、表面ダイヤモンドの平均粒径が６．０μｍを超えると、切断面の品位が悪化して融着後の伝送損失が上昇する。
【００１１】
本発明は上記知見に基づき得られたものであり、切断刃ダイヤモンド層の膜厚が０．５μｍ以上８．０μｍ以下であり、ダイヤモンド層の表面におけるダイヤモンド平均粒径が０．５μｍ以上６．０μｍ以下であり、前記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ことを特徴とする。上記の特徴を備えたダイヤモンド被覆切断刃は、微粒ダイヤモンドとは異なり、ダイヤモンド粒子個体の結晶稜線（凹凸）で被削材を捉え、滑りや空転を誘発することなく効率的に切断力を伝達することができる。また、切れ刃先端Ｒ、即ちダイヤモンド膜厚を適切な範囲に抑えることで、未切断片や、切断面加工品位ばらつきの発生を抑制することができる。この結果、例えば光ファイバの切断では伝送損失を最小限に留めることが可能になり、脆性基板のスクライビングでは加工後の後処理工程を減らすことができる。このような切断刃の形状は、固定式、回転式どちらでも効果が得られるが、特に回転式の切断刃では本発明の効果が顕著となる。
なお、本願で述べる「平滑化処理がされていない」とは、機械的な研磨、研削、ホーニング、ブラシ処理、あるいはドライ／ウェットエッチング等により切断刃近傍のダイヤモンド粒子表面凹凸が失われていない状態を表している。すなわち、前記例示した処理等が仮に行われていたとしても、表面ダイヤモンド粒子による凹凸が残存している状態は、「平滑化処理がされていない」、つまり本願発明範囲に含まれる。
【００１２】
上記ダイヤモンド層の膜厚及び粒径は、前記記載範囲内にあれば本発明で目的とする効果が期待できるが、好ましくは膜厚が１．０μｍ以上５．０μｍ以下、粒径が２．０μｍ以上４．５μｍ以下であることが望ましい。また、切れ刃部分におけるダイヤモンド層表面の算術平均粗さＲaは、０．３μｍ以上３．０μｍ以下であることが望ましい。膜厚、粒径、及び粗さを前記範囲内とすることにより、本発明で目的とする切断をより高いレベルで実現することができる。
【００１３】
ダイヤモンド層表面の粗さを測定する方法としては、ＩＳＯ規格又はＪＩＳ規格に準拠したパラメータ解析ができる装置を使用すればよい。特にレーザー顕微鏡は空間分解能が高い上に数値解析が容易なため、本発明のダイヤモンド被覆表面を測定するのに適している。本明細書におけるＲaは、レーザー波長４０８ｎｍ、水平方向の空間分解能１２０ｎｍ、高さ分解能１０ｎｍのレーザー顕微鏡を用いて測定して得られた値である。
【００１４】
本発明で規定するダイヤモンド層の膜厚及び粒径は、被覆後に走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で表面や膜断面を観察することで得られる。これらは切断刃に関わる領域の平均値で定義されるが、切断刃全領域を測定することが困難な場合は一部領域の平均値でも同様と見なすことができる。一方、Ｒaは切断刃の全領域において本願発明範囲である必要はなく、一部でも本発明で規定する範囲内にあれば目的とする効果が発現される。
【００１５】
本発明のダイヤモンド被覆切断刃に用いる基材としては、従来公知の任意材料を用いることができるが、特に好適なのは超硬合金又はセラミックであり、超硬合金であればＫ種超硬が、セラミックであれば窒化珪素が望ましい。その他、ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化ホウ素焼結体、シリコン多結晶、炭化珪素、及び窒化アルミニウムからなる群より選ばれる１種以上から選択することもできる。ダイヤモンド被覆前の基材に対しては、膜の密着性あるいは耐欠損性向上のために、従来公知の技術を用いることができる。例えば超硬合金に対しては、化学エッチング、電気化学エッチング、又はサンドブラスト処理等により凹凸を形成した後、ダイヤモンド粉末分散液中でダイヤモンド種付け処理を行うことが好ましい。
【００１６】
前記ダイヤモンド層は、切れ刃先端から少なくとも５μｍ幅の基材表面上に連続膜として存在していればよく、それ以外の部分はダイヤモンド層が存在しないか、又は不連続なダイヤモンド層であることが望ましい。ダイヤモンド被覆切断刃においては、その作用領域は切断刃近傍に限られ、それ以外の基材領域は切断に寄与することなく、ダイヤモンドを完全に被覆する必要性はない。むしろ、全領域被覆することにより、切断時の応力による膜剥離や、切断刃固定（例えば回転軸）部分の損傷を引き起こす恐れがある。
【００１７】
さらに、本発明では適度なサイズのダイヤモンド粒径が必要であり、これは例えば、ダイヤモンド被覆時の切断刃近傍のダイヤモンド核発生密度を、基材表面平均で１×１０8個／ｃｍ2以下に抑制することで得られる。切断刃近傍は、ダイヤモンド核発生密度が相対的に高く連続膜になるが、それ以外の領域では核発生密度が低く不連続膜になることで、上記の効果を得ることができる。核発生密度を制御する方法としては、上記に例示したダイヤモンド種付け処理におけるダイヤモンド粉末濃度、処理時間を調整したり、ダイヤモンド被覆初期の成長条件を調整したりすることで所望の核発生密度が得られる。また、切断刃以外の部分にダイヤモンドが被覆されないようにマスク等を配置してもよい。核発生密度は、ダイヤモンド被覆時初期に成長を中断してダイヤモンド核を計数すれば求められるが、被覆が完了した切断刃においては、その断面を収束イオンビーム装置等で切り取り、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察すれば、核発生粒界が特定できて計数可能である。
【００１８】
本発明において、基材上に形成されるダイヤモンド層は、多結晶ダイヤモンドからなる膜であることが好ましい。また、多結晶ダイヤモンド層を被覆する方法としてはＣＶＤ法を用いることが好ましい。ＣＶＤ法には、熱フィラメントＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、直流プラズマＣＶＤ法等、公知の任意の手法を用いることができる。
【実施例】
【００１９】
以下、実施例により本願発明をさらに詳細に説明する。
［実施例１］
ダイヤモンド被覆切断刃の作製にあたり、基材として材質がＪＩＳ Ｋ１０超硬合金（ＷＣ-５％Ｃo）であって、住友電気工業製光ファイバカッタＦＣ-７Ｒに搭載可能な、直径２０ｍｍ、厚さ３ｍｍの円形刃を用意した（図１）。
【００２０】
まず、基材の前処理として、９８％硫酸と６０％硝酸の混酸に５分間浸すことで基材の表面をエッチングした。この結果、基材表面近傍のＣoが除去され、微小な凹凸が形成された。続いて、粒径５〜１０ｎｍサイズのダイヤモンド粒子をエタノール中に０．０２ｇ／Ｌで分散させ、基体を浸漬して５分間の超音波種付け処理を行った。
【００２１】
次に、基材を公知の熱フィラメントＣＶＤ装置内に配置して、ダイヤモンドの被覆を行った。基材中心の回転軸部分や、及び切れ刃近傍以外の領域にダイヤモンドが被覆されないように基材上には円盤状のマスク材を配置した。ダイヤモンド被覆のための導入ガスは１％ＣＨ4／Ｈ2とし、その内部の圧力は１．３×１０4Ｐaに設定した。被覆時の基材温度は９００℃、フィラメント温度は２１５０℃、被覆時間３時間として実施例１の試料を作製した。図２に、ダイヤモンド被覆後ファイバカッタの切れ刃外周方向から撮影したＳＥＭ像を示す。
【００２２】
［実施例２〜６、比較例１〜７］
実施例２〜６及び比較例１〜７として、表１に示すように、前処理の種付け条件や、ガス／温度条件、被覆時間、マスクの配置等を変更して種々のダイヤモンド膜厚、粒径、表面粗さの試料を作製した。また、得られたダイヤモンド層をＸ線回折法で測定したところ、全て多結晶ダイヤモンドであることを確認した。
【００２３】
（評価）
得られた試料は、ＳＥＭ、ＴＥＭ、レーザー顕微鏡で種々特性を評価した後、上記光ファイバカッタＦＣ-７Ｒに搭載し、該カタログに記載される標準的な８芯テープ光ファイバを用いた切断試験を行った。切断試験では一定数毎に切断状態や８芯平均接続（融着）損失を確認した。各実施例、比較例毎の種々特性及び切断結果をまとめたものを表１に示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
表２に示されるように、本発明の実施例は、比較例１に示す従来材料である超硬ノンコート製のものよりも長寿命であり、伝送損失も実用上問題となるものはなかった。これに対し、膜厚及び粒径が本発明より大きい比較例２では、実施例１より切断寿命が短くなっただけでなく、接続損失が大きく切断品位が悪いことがわかった。
【００２６】
比較例３は本発明よりも膜厚、粒径が小さいもので、比較例４は粒径が小さいままダイヤモンドを厚膜化したものである。比較例５および６は膜厚又は粒径のいずれかが本願範囲を外れた物である。比較例７は実施例１に相当する試料に対して、ダイヤモンド被覆後に切断刃近傍を研磨仕上げしたものである。比較例３、４，及び７は切れ刃の凹凸が小さくなり、ダイヤモンドの低摩擦係数の影響で、加工時に滑りが生じてファイバを切断できなかった。比較例５は粒径が大きくなったことで切断品位の悪化が認められ、比較例６では刃先Ｒ拡大の影響で切断が不可能になった。
【００２７】
また、本実施例の基材を、窒化珪素、ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化ホウ素焼結体、シリコン多結晶、炭化珪素、及び窒化アルミニウムに変更して同様の試験を実施したところ、上記実施例１から６と同様の結果が得られた。
【００２８】
［実施例７］
次に、ガラス板用回転式切断刃の例として、直径３ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの超硬合金製ホイールを用意した。超硬合金は平均ＷＣ粒径１．５μｍ、Ｃo量６％のＫ２０種とし、切れ刃の角度は１２０°とした。基材の前処理は実施例１と同様とした。基材を公知のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内に配置して、ダイヤモンドの被覆を行った。基材中心の回転軸部分や、及び切れ刃近傍以外の領域にダイヤモンドが被覆されないように基材上には円盤状のマスク材を配置した。ダイヤモンド被覆のための導入ガスは０．８％ＣＨ4／Ｈ2とし、その内部の圧力は６．７×１０3Ｐaに設定した。被覆時の基材温度は８８０℃、マイクロ波投入電力３ｋＷ、被覆時間６時間として実施例７の試料を作製した。
得られたダイヤモンド層をＸ線回折法で測定したところ、多結晶ダイヤモンドであることを確認した。さらに、ＳＥＭ、ＴＥＭ及びレーザー顕微鏡で評価したところ、膜厚４．６μｍ、粒径３．８μｍ、Ｒa２．１μｍ、核発生密度９．５×１０7個／ｃｍ２であった。
【００２９】
［比較例８〜１０］
比較例として実施例７と同様のダイヤモンドを被覆し、被覆後表面を研磨して鏡面化した物（比較例８）、市販の焼結ダイヤモンド切断刃（比較例９）、及び市販の超硬ノンコート切断刃（比較例１０）の３つを用意した。
【００３０】
（評価）
こうして得られた実施例７及び比較例８〜１０の切断刃を、市販のスクライビング装置に搭載し、液晶パネル用ガラス板（厚さ０．６ｍｍ）のスクライビングを行った。
加工結果を表２に示す。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
表２に示したとおり、ダイヤモンド被覆切断刃は従来製切断刃より長寿命で安定して切断することが可能であった。
また、基材を窒化珪素、ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化ホウ素焼結体、シリコン多結晶、炭化珪素、及び窒化アルミニウムに変更して同様の試験を実施したところ、上記実施例６と同様の結果が得られた。
【００３３】
以上説明したように、本発明のダイヤモンド被覆切断刃はダイヤモンド本来の耐摩耗性を生かして、長寿命で高品位に脆性材料を切断できることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明のダイヤモンド被覆切断刃は、特に光ファイバの切断や、ガラス・セラミック・半導体等の脆性材料のスクライブに好ましく用いることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１  基材
２  切れ刃
３  ダイヤモンド連続膜領域
４  不連続ダイヤモンド層
【図１】
2011126754.tif 000005
【図２】
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