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砥粒加工学会誌◇ 特集 広がるダイヤモンド工具の世界 ◇ガラス切断用工具におけるダイヤモンド材料の進歩
Development of diamond materials for glass cutting tool
留井直子＊，福西利夫＊
Naoko TOMEI and Toshio FUKUNISHI
Key words : scribing and breaking, scribing wheel, median crack, Vickers hardness

２．２ スクライビングホイールの材料

１．緒 言
切断加工には，研削切断加工と割断加工が多用されておそこで，そろばん玉形状の工具に軸を通し，回転させてスクり，とくに板ガラスの切断加工には，割断加工すなわち「スクラライブするスクライビングホイール(以下，ホイールとする)が開イブ＋ブレイク」技術が広く用いられている 1)．この「スクライブ発された．図 3 にホイールの概要を示す．角度 V °で示され＋ブレイク」技術の概略図を図 1 に示す．スクライブ工程では，る部分の先端がガラスに接触するところで，スクライブ時の接スクライブ工具により，ガラス表面に傷をつけることで基板厚触部の深さは数µm である．そのため，先端の粗さや形状，角みの 10~15％程度の垂直クラックが形成される．次のブレイク度によりスクライブ特性が大きく変化する．ホイールでスクライ

工程では，曲げ応力により垂直クラックを伸展させて基板を分ブしたあと，ブレイクしたガラス断面を図 4 に示す．垂直クラッ離する．この技術を切断に用いることにより，カーフロスが発クが連続的に形成されていることが確認できる．後工程のブレ生せず，乾式での加工が可能である．また，ダイシング加工イクを考慮して，連続的な垂直クラックを形成させるためには，に比べて高速加工ができる．

ホイールの仕様選定が重要となる．

ガラスの材質や用途の変化に合わせて，適切なスクライブ

当初，ホイール材料は合金鋼製であったが，1957 年ごろか工具の材料や形状も進歩してきた．最近では，ガラスだけでら国内の量産ラインで超硬合金が使用された．しかし，工具なく電子部品用セラミックスの切断にも，「スクライブ+ブレイク」

寿命に課題があり，1983 年以降，焼結体の多結晶ダイヤモン

技術を応用できることが明らかになっている 2)．ここでは，ガラド(PCD : PolyCrystalline Diamond)がホイール材料として用い

ス材料とスクライブ工具の材料・形状の関係について述べると

V°

２．ガラスの用途と工具の変化
２．１ ガラス切り
図 2 に，古くからガラスのスクライブに使用されてきたガラス切りを示す．このタイプのガラス切りは，先端に単結晶ダイヤモンドがろう付けされている．研磨加工により，ダイヤモンドの先端がシャープになっているため，ガラスに垂直クラックが形

φD mm

φH mm

ともに，セラミックスをスクライブした結果について紹介する．

T mm

図 3 スクライビングホイールの概要
スクライブ方向

100 μm成される．しかし，ダイヤモンドの固定や加工にバラツキがあり，製品の個体差が大きい．また，使用する人の技術によりスクライブにバラツキが発生するという課題があった．

垂直クラック深さ 板厚

スクライビングホイール
スクライブライン

Mediancrack
垂直クラックスクライブ荷重 : 24.6 N

曲げ応力

Glasss曲げ応力

heet(a) スクライブ

図 4 ホイールでスクライブしたあとのガラス断面(b) ブレイク

図 1 「スクライブ＋ブレイク」技術の概略図

図 2 ガラス切り* 三星ダイヤモンド工業株式会社：〒566-0034 大阪府摂津市香露園32-12〈学会受付日：2016年 1月22日〉

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図 5 超硬合金と PCD のホイール先端

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315られるようになった 3)．図 5 に，同じ粒度(#600)の砥石で加工が大きく変化した．ノーマルホイールとブレイクレスホイールでした超硬合金と PCD のホイール先端を示す．超硬合金に比の切断工程を比較すると，図 6 (a)のノーマルホイールでは，べて PCD では表面粗さが微細である．このため，スクライブ後スクライブ時の垂直クラックが浅いため，ブレイク工程と反転のガラスエッジにクラックや欠けが発生しにくく，またホイール工程が必要であった．これに対して図 6 (b)のブレイクレスホイ

自身の先端欠けも抑制されると考えられる．

ールでは，垂直クラックが深いため，スクライブ工程と分離工一般的に，ダイヤモンドの粒子径が大きいほど耐摩耗性が程の 2 工程のみになった．これにより，ブレイクレスホイールで高いとされているが，ホイールでは微粒の方が，工具寿命は切断する技術や装置が普及し，LCD の大型化やコストダウン長い傾向である．ホイール寿命は，摩擦による摩耗よりも，先が急速に進んだ 4) 5)．

端の微細な欠けや粒子の脱落が支配的であると考えられる．
２．２ スクライビングホイールの形状

さらに，モバイル機器用 LCD ガラスの薄板化が進んだため，切断後のガラスエッジ強度の向上が求められるようになった．

液晶ディスプレイ(LCD:liquid crystal display)の切断では，そこで，ブレイクレスホイールよりもガラスエッジ強度が向上す

当初，スクライブ後，次のブレイク工程のために，スクライブしるホイールが開発された．図 8 にホイール先端形状によるガラた面を裏返す「反転」工程が実施されていた(図 6 (a))．その後，スエッジ強度の比較を示す．3~10µm 品は，ブレイクレスホイガラスの大型化・薄板化が進むとともに，ブレイク工程や反転ールの溝深さを示している．高エッジ強度ホイールでは，ホイ工程が困難になった．

ール先端が，より微細に溝加工されている．これにより，ブレイそこで，この 2 工程を必要としないブレイクレスホイールが開クレスホイールよりも高いエッジ強度が実現された．

発された．図 7 に示すように，ブレイクレスホイールは，通常のブレイクレスホイールや高エッジ強度ホイールの先端は，数ホイール（ノーマルホイール）の先端に微細な溝が加工されて~十数µm の非常に微細な加工が施されている．そのため，溝いる．ノーマルホイールでは，垂直クラックの深さが板厚の加工する前のホイール先端は，1µm 以下の凹凸に仕上げる10~15%であるのに対し，ブレイクレスホイールでは，80%以上必要がある．モバイル機器やデジカメなどが普及し，LCD 用の深い垂直クラックが形成される．

ガラスが薄くなるにつれて，ホイール用 PCD の粒子も微粒に

ブレイクレスホイールの開発により，LCD ガラスの切断工程なる傾向がある．
ブレイクレスホイール�の���ー�ルホイール�の���ー�ルスホイール�の��
1. A面スクライブ

A面
B面

2. 反転

A面
B面

3. A面ブレーク

A面
B面

4. B面スクライブ

A面
B面

5. 反転

A面
B面

6. B面ブレーク

1. AB面
同時スクライブ

A面
B面

A面
B面

7. 分離

A面
B面

A面
B面

2. 分離

(b)
(a)
図 6 ノーマルホイールとブレイクレスホイールでの LCD 切断工程
ﾜｲﾌﾞﾙ確率紙
ホイール���エッジ強度の���ー�ルホイール
ホイール側面側

299.9
99

ブレイクレスホイール

高エッジ強度
ホイール

90

ホイール側面側

1050-1

スクライブ直交方向の断面

lnln(1/(1-F))

スクライブ直交方向の断面F/%

20-210-32

板厚0.7 mm

0.2
0.1
10100
stress / MPa

10μm品

7μm品
3μm品

図 7 ノーマルホイールとブレイクレスホイールの比較-4●：10μm品●：10μm品●：7μm品●：7μm品●：5μm品●：5μm品●：3μm品●：3μm品●：APIO●：高エッジ強度品

1-5-6-710005μm品

高エッジ強度品

図 8 ホイール先端形状によるガラスエッジ強度の比較

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砥粒加工学会誌

３．「スクライブ+ブレイク」によるセラミックスの切断

す．荷重を変化させることで，垂直クラックの深さを制御するこ

３．１ セラミックスの切断における課題とが可能であった．

近年，電子部品の小型化にともない，使用されるセラミックガラス用の従来ホイールを用いて，アルミナをスクライブしたときの，垂直クラック深さの推移を図 11 に示す．PCD 製のス基板も小サイズ化が進んでいる．
これまでセラミックスの切断に用いられてきたダイシング加ガラス用従来ホイールでは，スクライブ距離 100 m で基板の工では，カーフロスが発生し，加工速度が遅いため，製品コス分離ができなくなった．初期には深い垂直クラックが形成されトの低減に限度がある．また湿式加工なので，環境への負荷るものの，ガラスに比べて硬いアルミナでは，早期にホイールが懸念される．

先端が摩耗し，スクライブ時に垂直クラックが形成できなくな「スクライブ+ブレイク」技術をセラミックスの切断に応用できれば，前述のような課題が解決され，コストダウンや環境負荷の低減が期待できる．しかし，表 1 に示すように，セラミックスったためと考えられる．
３．３ セラミックス専用スクライビングホイールの開発
そこで，セラミックス専用のホイールが開発された．開発ホはガラスに比べて，およそ 3～4 倍の硬さであるため，スクライイールの外観を図 12 に示す．セラミックス専用ホイールには，ブ工具の寿命に懸念がある．そこで，アルミナ基板を用いてCVD ダイヤモンドを使用した．PCD の硬さはおよそ 50～70ホイールによるスクライブ実験を行った．

GPa であるのに対し，CVD ダイヤモンドは約 80～100 GPa 6)

３．２ アルミナ基板を用いたスクライブ実験とされており，ホイールの耐摩耗性の改善が期待できる．

ホイールを用いて，スクライブしたアルミナの断面を図 9 にCVD ダイヤモンドの基材には，超硬合金を用いた．ホイール示す．実験には，板厚 0.635 mm の 96 ％アルミナ基板（京全体ではなく，スクライブ時に基板と接する斜面の部分のみセラ製）を使用し，ホイールは，外径 2.0 mm，厚さ 0.65 mm，ダイヤモンド膜をつけており，図 12 の外観写真では，外周部

穴径 0.8 mm，先端角度 140 °のものを用いた．スクライブ速度の黒い部分がダイヤモンド膜に相当する．

100 mm/s でスクライブした結果，ガラス同様に垂直クラックが

図 13 に，PCD と CVD ダイヤモンドのホイール先端を示す．

形成され，「スクライブ+ブレイク」技術でアルミナの切断が可PCD に比べて CVD ダイヤモンドでは，先端がより微細に仕上能であった．次に，図 10 に垂直クラック深さと荷重の関係を示げられるため，スクライブ後の基板に欠けやクラックが発生しにくいと考えられる．また，ホイール先端に局所的な力が加わり

表 1 ガラスとセラミックスのビッカース硬さ比較にくいので，スクライブ時の先端ダメージや欠けも抑制される．

Hv 0.3 / N・mm-2

基板材料

535

アルミナ（96%-Al2O3）

1983

700

窒化珪素（Si3N4）

1469

600

安定化ジルコニア（8Y-ZrO2）

1410

垂直クラック深さ / μm

ガラス

500 µmスクライブ方向

垂直クラック深さ

スクライブ荷重 : 32 N
板厚

500
400
300
200

分離不可

100

板厚

00204060

80

100

スクライブ距離 / m

図 11 従来ホイールの垂直クラックの推移

スクライブ荷重 : 32 N

図 9 ホイールでスクライブした後のアルミナ断面
700

1mm

板厚

垂直クラック深さ / μm

600
500
400
300
200
100
0202530

スクライブ荷重 / N35

図 12 セラミックス専用ホイールの外観

図 10 垂直クラック深さと荷重の関係

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スクライブ荷重 : 32 N700

板厚

垂直クラック深さ / μm600

セラミックス専用ホイール

500
400300200

従来ホイール

10000200

400600800

1000

スクライブ距離 / m

図 13 PCD と CVD ダイヤモンドのホイール先端

図 14 セラミックス専用ホイールの垂直クラックの推移

図 15 従来ホイール（PCD 製）とセラミックス専用ホイール（CVD ダイヤモンド製）先端の変化
セラミックス専用ホイールの垂直クラック深さの推移を図 14

とくに最近，ガラスよりも硬いセラミックス材料の「スクライブ+に示す．従来のガラス用 PCD ホイールでは，100 m で垂直クブレイク」技術による切断が実現しつつある．これは，ホイーラックが形成できず分離できなくなったが，セラミックス専用ホル材料のドラスティックな変更により，工具の短寿命という課

イールでは，1000 m スクライブしても垂直クラックの深さに減題が解決されたためである．今後も，ガラス以上に硬い材料少は見られなかった．の切断用に，最適な形状や材料のホイールが開発されること

また，この 2 種類のホイール先端の変化を図 15 に示す．
PCD 製ホイールでは，100 m スクライブ後に先端が摩耗してで，「スクライブ+ブレイク」技術がさまざまな分野の基板の切断に拡大していくことを期待している．

平らになっていた．このためホイール先端に荷重が集中せず，垂直クラックが形成されにくくなったと考えられる．一方，CVD

５．参考文献ダイヤモンド製ホイールは，1000 m スクライブ後も先端のシャ1)2)ープさを維持していたため，垂直クラックの深さが低下しなかったと考えられる．
４．まとめ
ガラスの切断には，古くから「スクライブ+ブレイク」技術が用いられている．ガラスの用途の変化に合わせて，ガラス基板の大きさや材料が変化してきた．そのため，そのときのニーズに合わせて，切断に使用されるスクライブ工具も，形状や材料を

3)
4)
5)
6)

伊勢田徹 : ガラス工学ハンドブック, 株式会社朝倉書店，(1999) 392.
N. TOMEI, K. MURAKAMI, T.HASHIMOTO, M. KITAICHI, S.
HIRANO and T. FUKUNISHI : Development of a scribing wheel forcutting ceramic substrates and its wheel scribing and breaking technology, J.
Jpn. Soc. Abras. Technol., 59, 12 (2015) 705 (in Japanese).
三星ダイヤモンド工業株式会社: http://www.mitsuboshidiamond.com/
Y. MIYAKE : Separation technology for FPD glass, J. Jpn. Soc. Abras.
Technol., 45, 7 (2001) 342 (in Japanese).
N. TOMEI : Cutting Technology of Glass Sheet by Scribing and Breaking,
NEW GLASS, 30, 112 (2014) 37 (in Japanese).
H. SUMIYA and T. IRIFUNE : Indentation hardness of nano-polycrystalline
diamond prepared from graphite by direct conversion, Diamond Relat.
Mater. 13 (2004) 1771.

変えて進歩してきた．

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