JP2006137168A - 脆性材料の割断方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザビーム照射による加熱と冷却液噴霧による冷却によって惹起される熱応力に起因して、表面層にスクライブ線を発生させたガラスなどの脆性材料において、高い位置精度やカレット発生のないクリーンな状態を維持したまま、材料の全厚みにわたってブレークを行う割断方法及び装置を提供する。
【解決手段】 レーザスクライブしたガラスなどの脆性材料のブレークにおいて、材料端面から順にブレークを進行させる。同進行においては、ブレーク線全長にわたって常に同じ方向と大きさの応力を作用させ、亀裂成長の一様化を図る。その実現方法としては、ブレーク線横の材料の表裏面上のそれぞれ一点に応力印加を行うが、この印加点をスクライブ線に沿って移動させる。応力印加はたとえば２個のローラ１７，１８によって行う。 このように安定なブレークの進行をはかると、割断面はレーザスクライブの優れた特性とあいまって、後工程を不要とする高品質化が実現できる。
【選択図】 図７

Description

本発明は脆性材料、なかんずくガラスなどの脆性材料の割断方法及び同用装置に関する。本出願では特にガラスを対象とした説明を行っているが、ガラスの他にも石英、セラミック、半導体などの脆性材料一般に適用が可能である。

脆性材料は、従来はダイアモンドチップなどの超硬バイトを使用した機械的方法で切断してきた。ガラスに対するこの方法の適用は、過去１世紀以上の長期間にわたって使用されてきた方法でもある。

ところがこうした機械的方法には、次に述べるような欠点が存在する。第一は、切断時にカレットと呼ばれる小破片が発生し、ワーク表面を汚すことである。第二は、切断面付近にマイクロクラックが発生し、それを起点としてワークが割れる危険があることである。第三は、最小でも数百ミクロン程度の切り代が存在し、ワークサイズが際限なく微小化していく現在、この切り代の存在が無視できなくなることである。この他にも、加工速度の限界、消耗品である工具コストなど、産業上無視できない欠点がある。

窓ガラスの切断などは従来技術で問題ないが、液晶表示器やプラズマ表示器などに使用するファイン・ガラス切断の場合、マイクロクラック対策のために切断面を研磨し、その後洗浄を行うなどの後工程が必要である。

それに対して、レーザ割断には次に述べるような特徴がある。第一に、質量損失がゼロ（カレット発生なし）で、洗浄などの後工程が不要である。第二に、割断面付近にマイクロクラックなどの破壊欠陥が発生せず高強度断面が得られるので、研磨などの後工程が不要である。第三に、面粗さが１μ以下の鏡面が得られる。第四に、製品外形精度が±２５μ以下である。第五に、ガラス板厚０．２ｍｍまでの薄さに使用でき、今後の液晶ＴＶ用に使用できる。

ガラスに高エネルギー密度のＣＯ_２レーザビームを照射すると、一般的には照射スポットにおいてレーザビームの吸収が起こり、急激な加熱の結果放射状にクラックが発生してしまい、進行方向のみに切断を進行させることは出来ない。しかしながら、レーザビームのエネルギー密度をこうしたクラックを発生させるものより十分低いものに設定すると、ガラスは加熱されるだけで、溶融もクラック発生も起こらない。この時ガラスは熱膨張しようとするが、局所加熱なので膨張ができず、照射点を中心としてその周辺には圧縮応力が発生する。この局所加熱源を割断したい方向に移動させるのである。加熱後に冷却液を噴霧することによって冷却を行うと、今度は逆に引っ張り張力が発生する。図１に示すようにレーザビームの断面形状を適当なものに成形すると、光の移動方向と直交する方向のみに、引っ張り張力が発生する。同図において、１は加熱レーザビーム、２はガラス内部の圧縮応力、３は冷却液、４はガラス内部の引っ張り張力である。この引っ張り張力の作用で割断亀裂５が生じる。図２に示すガラス板６において、始点に機械的方法によるトリガークラック８をつけておくと、割断亀裂５はこのトリガークラックから発生し、レーザビームの移動方向７に沿って進行させることができる。こうした現象が理想的に発生するためには、照射レーザビームのエネルギー分布が、こうした張力を生じるために最適である必要がある。種々のガラスの割断において、こうした最適分布が研究されている。図１および図２に示す加熱レーザビーム１は、この最適化がなされたものである。

こうした最適分布の実現方法については、下記の特許出願がなされている。
特許出願番号２００３−３６３８５５
特許出願番号２００４−１５６８９１
このガラス割断へのレーザ応用は、これから需要が急増するファイン・ガラス全般の加工において、必要不可欠のものであるといえる。

ＣＯ_２レーザビーム照射によるガラスの熱応力割断においては、図３に示すようにＣＯ_２レーザビームはガラス表面層だけで吸収され、ガラスの全厚さにわたって透過しない。レーザによる割断（レーザスクライブと称する）深さは、通常１００μ程度である。同図において、９がレーザスクライブ面である。同面をこれより深くするためには、深さ方向への熱伝導によって深部における温度変化を発生させねばならない。この場合加工速度は著しく減少するので、通常は行わない。図４に示す機械的スクライブ面も、通常は同程度の深さである。さてガラスは脆性が強いので、このスクライブ線にあわせて機械的に割断することが容易である。このプロセスをブレークと称する。

従来は、機械スクライブとブレークの組み合わせでガラス割断を行っている。機械スクライブの場合、図４に示すようにスクライブ線付近にはマイクロクラックが多量存在するので、ブレークは比較的容易である。ただし、同図１２に示すように機械スクライブ後のブレーク面は必ずしもガラス表面に直交する一平面を構成しない。機械スクライブの場合には、ブレーク後に割断面を研磨洗浄するので、ブレーク自体には高品質は要求されないのである。

ところが、レーザスクライブの場合、スクライブ線付近にマイクロクラックが存在しないので、同一のスクライブ深さに対してブレークは、より困難になる。また、ブレークが最終工程でありその後に研磨洗浄を行わないので、ブレーク面の位置精度、角度精度、清浄さが要求される。カレットが付着していることも許されない。このために、機械スクライブ後のブレーク技術として開発された従来の方法は、レーザスクライブの場合使用できない。本発明は、レーザスクライブに最適のブレーク技術に関する。これらの条件が満たされると、レーザスクライブ後のブレーク面は図３の１０に示すようにガラス表面に直交する一平面になり、理想的である。

ガラスのような脆性材料に亀裂を安定に発生させる負荷法として、図５に示すダブルトーション法と称する荷重負荷法がある。これは、ガラス板６をレーザスクライブ面９が広がる方向に曲げる方法で、できるだけ小さな荷重でブレークを行わせる方法である。スクライブ面から離れた位置での上面から下向きの印加応力１３および１３１を、またスクライブ面近傍の下面から上向きの印加応力１４および１４１を加える。本発明は基本的にこの原理を利用しているが、曲げと同時にブレーク両側のワークに引き離し力を加えて、ブレーク時にワークが擦れあってカレットが発生することを防止している。

本発明によれば、レーザスクライブとブレークの両工程からなるガラス割断を常に最適条件下で行うことができる。レーザによるガラス割断は、多くのすばらしい技術上の利点がありながら、いまだに過去１世紀にわたって使用されてきたダイアモンドカッター方式を置換できないでいる。その主たる原因は、ブレークが容易にできないことであった。そのために、実際の生産現場で使用されるには至っていなかった。

本発明は、こうした事態の解決を可能にしている。その直接の効果として、次に挙げるものがある。
１）割断位置精度が高い。
２）割断面が鏡面で、面粗さが良好である。
３）割断面傾きが高精度である。
４）割断面にカレットの付着がなく、清浄である。
５）スクライブ、ブレークともに自動化ができる。
６）スクライブ、ブレークともに高速度で行える。
７）研磨、洗浄などの後工程が省略できる。

このようにガラスのレーザ割断が、ダイアモンドカッター使用のような従来の機械的方法に比較して、著しく進歩することになる。レーザによるガラス割断が普及すれば、加工速度、加工品質、経済性、難易度の克服などにおいて、その効果にははかり知れないものがある。

ここでは液晶テレビ用ガラスのような長尺ワークを割断する場合を想定して最良の形態を説明する。微細ワークの場合や、割断チップ数が極めて多数の場合など、異なったケースにおいては最良の形態が変化するが発明技術の本質は変わらない。

図６に示すようにレーザスクライブ面９を中心として、ガラス板６の一方を材料支持台１５上に固定し、スクライブ面の反対側に下向きの印加応力１３と上向きの印加応力１４を加えてブレークを行う。レーザスクライブ後のブレーク面１０はガラス板の端部から発生し、徐々に進行する。この場合、スクライブ面９の位置を材料支持台の端部から外側に若干離す必要がある。この変移量は、ガラス種類、厚さ、割断速度などの諸条件によって決められる最適量にする必要がある。通常の液晶テレビ用ガラスの場合、この変移はおおよそ１０ｍｍ程度である。ガラスは材料支持台上面に直接接触させるよりも、やわらかいシート１６を介在させて固定したほうが切断面がきれいになる。

本発明の特徴は、ブレークの安定進行を実現するために、ブレーク線全長にわたって常に同じ方向と大きさの応力を作用させることである。そのためにブレーク線横の材料の表裏面でガラスへの応力印加点を設け、同点を移動させる。同移動は人力によるものの他、電気，空圧、油圧などによる自動化をはかるほうがよい。

本発明の一実施例を、図７に示す。同図に示す実施例では、ガラス表裏面に印加する上下方向の応力をガラス表面を滑る機構を通じて印加し、同機構をスクライブ線に沿って移動させるのである。この機構は、ローラ、バー、コロ、カンチレバーなどのいずれでもよいが、同図ではローラの場合を示している。

本実施例では、下向き力はガラス上面上部に位置したローラ１７によって、上向き力はガラス下面下部に位置したローラ１８によって印加される。ローラとガラス面の接点の位置関係は、ローラ１７はローラ１８よりスクライブ線からより離れて位置し、ローラ移動方向の後方に位置する。これらの適性位置はガラス特性および割断条件に依存する。経験的に最適化した同値は、両ローラの前後、左右間隔とも通常の液晶ガラスの条件下で約１０ｍｍであった。

ローラ１８とガラス下面の位置関係は、ブレークの過程中ローラ頂点がガラス下面に接触していればよい。この意味では、ローラ１８はガラスの上下位置を維持するだけの役割を担っている。一方、ローラ１７はブレーク開始時はガラスから浮いていて、ブレーク開始後にガラス表面を最適圧力で下方に押すことが求められている。この与圧機構としては、電気、磁気、空圧、油圧、水圧などを用いることが出来る。これら両ローラの印加力によって、レーザスクライブ面両側のガラスが、こすりつけられることなくブレークされるのである。そのため、割断面にカレットが付着することがない。

これら両ローラ１７および１８は、一体となってスクライブ線に沿って移動する。このローラの移動と同期して、ブレークが進行することが望ましい。この場合、ブレーク点には常に同一の力が印加されるので、一定のブレーク特性が得られ、ブレーク面が乱れない。一方ブレークがローラ移動より先行すると、移動終了前にガラスが分離してしまい、分離片が固定片に擦れ合ってカレットが発生することがある。このようなことは、下向き応力印加用ローラ１７の印加応力が過剰な場合に発生する。また、同応力が不足であるとブレークの進行が遅れる。このため下向き応力印加用ローラ１７には、印加応力調整機構が必要である。

図８に、本発明の第二の実施例の原理図を示す。第一の実施例では、ローラ１７および１８の回転軸はスクライブ線ならびに移動方向に直交する関係にあった。この実施例では、両ローラの回転軸が第一の実施例の方向から若干傾いている。われわれは、経験的にこの条件が良好な割断面を生じることを見出した。

ここでも、回転軸の最適傾斜角はガラスと割断条件に依存するので、同軸に調節機構を設ければよい。

以上説明したのは本発明の機能を実現する若干の機構例であって、本発明の精神はその他の多くの方法で実現可能であることは言を俟たない。

液晶ディスプレィ、プラズマディスプレィなどのフラットパネルデスプレィ、モバイルやカーナビ用表示器、光学装置用ＩＲフィルターなどに用いる平面ガラスの切断が、現在はダイアモンドカッターで行われており、切断後の洗浄工程の必要性や、マイクロクラックの存在などの問題を呈している。レーザ割断で、こうした問題を解決することができる。ＩＣチップカバーガラスなど微小チップの加工にも、本発明は応用できる。大型ワークの場合よりも切断長が大きいので、本発明の効果は大きい。

自動車用のガラス部品は曲線加工が多いので、現在は機械的に直線切断の後、研磨を施している。このために、ガラス割断だけですませられるレーザ加工への期待は大きい。

さらに、建築資材としての強化ガラスの加工で、犯罪防止という現代社会に求められている課題解決に貢献できる。強化ガラスの切断は機械的方法では困難であり、レーザの使用が期待されているのである。

このように、ガラス割断を改善するレーザ技術の出現は、現代社会に要求されている種々の課題への解決である。

レーザ光加熱および冷却によるガラス内の圧縮応力および引っ張り張力の発生原理図。 レーザによるガラス割断原理図。 ガラスのレーザスクライブ。 ガラスの機械スクライブ。 ダブルトーション負荷法原理図。 本発明で用いる改良型ダブルトーション負荷法原理図。 本発明の第一の実施例。 本発明の第二の実施例。

符号の説明

１ 加熱レーザビーム
２ ガラス内部の圧縮応力
３ 冷却液
４ ガラス内部の引っ張り張力
５ ガラスに生じる割断亀裂
６ ガラス板
７ レーザビームの移動方向
８ トリガークラック
９ レーザスクライブ面
１０ レーザスクライブ後のブレーク面
１１ 機械スクライブ面
１２ 機械スクライブ後のブレーク面
１３ 下向きの印加応力
１３１ 同
１４ 上向きの印加応力
１４１ 同
１５ 材料支持台
１６ やわらかいシート
１７ 下向き応力印加用ローラ
１８ 上向き応力印加用ローラ

Claims (9)

1. 表面に傷を形成したガラス、石英、セラミック、半導体などの脆性材料で、材料端面から順に亀裂を進行させてブレークを行う割断装置。
2. 請求項１において、亀裂進行の方法として端面から進行する亀裂先端部分に、割断線全長にわたって常に同じ方向および大きさの応力を作用させる割断装置。
3. 請求項２を実現するために、割断予定線片側の材料を予定線が材料支持台からはみ出すように支持台に固定し、他方側材料の表面・裏面の各一カ所にそれぞれ反対方向への応力印加支点を設け、この支点を移動させることを特徴とする割断装置。
4. 請求項３において、表面・裏面の一方においては応力印加支点が材料表面を支持する位置に固定され、他方においては応力印加が材料表面を押し付ける働きをする割断装置。
5. 請求項４において、支持応力印加支点は押し付け応力印加支点よりも、移動方向前方でかつ割断線により近い位置にあることを特徴とする割断装置。
6. 請求項４において、押し付け応力はブレーク開始前と開始後で変化をする割断装置。
7. 請求項３において、材料と材料支持台上面の間に柔らかなシートを挟んだ割断装置。
8. 請求項３および６において、電気、磁気、空圧、水圧、油圧などからの駆動力によって装置駆動が行われる割断装置。
9. 請求項３において、応力印加がローラ、カンチレバー、バー、コロ、滑りなどを介在して行われる割断装置。

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