JP2011105521A - ガラス溶着方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 信頼性の高いガラス溶着体を製造することができるガラス溶着方法を提供する。
【解決手段】 レーザ光Ｌの照射によってガラス層３が溶融し、各ガラス基板４０，５０における溶着予定領域Ｒに沿った部分に、ガラス層３側の主面４０ａ，５０ａの温度がガラス層３と反対側の主面４０ｂ，５０ｂの温度よりも高くなる温度差が生じる。その後、溶融したガラス層３が固化し、冷却によってガラス基板４０，５０に応力が発生する。このとき、ガラス基板５０に、ガラス基板４０，５０の厚さ方向から見た場合にガラス層３に重なるように初期亀裂８が形成されているため、初期亀裂８を起点としてガラス層３を介してガラス基板４０，５０の厚さ方向に亀裂が伸展することになる。これにより、ガラス基板４０とガラス基板５０とを溶着予定領域Ｒに沿って溶着すると共に割断することができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、ガラス基板同士を溶着してガラス溶着体を製造するガラス溶着方法に関する。

レーザ光を利用したガラス基板の溶着や切断に関する技術は、従来、種々提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。特許文献１には、積層したガラス基板に対し、切断線に沿ってレーザ光を照射することで、レーザアブレーションによってガラス基板を溶断すると共に、その際に生じる熱によってガラス基板同士を溶着する技術が記載されている。

特開２００７−９０４０５号公報 特表２００６−５２４４１９号公報 特開２００７−２６４１３５号公報 特開２００７−２８７１０７号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術にあっては、レーザアブレーションによってガラス基板を溶断するので、ガラス基板同士が溶着された部分に有機物等が汚染物として残存し、その結果、ガラス溶着体の信頼性が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、信頼性の高いガラス溶着体を製造することができるガラス溶着方法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、本発明に係るガラス溶着方法は、第１のガラス基板と第２のガラス基板とを溶着してガラス溶着体を製造するガラス溶着方法であって、延在する溶着予定領域に沿うように、レーザ光吸収材を含むガラス層を所定の幅で第１のガラス基板と第２のガラス基板との間に配置する工程と、第１のガラス基板及び第２のガラス基板の厚さ方向から見た場合にガラス層に重なるように、第１のガラス基板及び第２のガラス基板のうちの少なくとも第２のガラス基板に初期亀裂を形成する工程と、初期亀裂の少なくとも一部を含むようにガラス層にレーザ光を照射し、溶着予定領域に沿ってレーザ光の照射領域を相対的に移動させることにより、ガラス層、第１のガラス基板及び第２のガラス基板に加熱段階と冷却段階とを経させて、第１のガラス基板と第２のガラス基板とを溶着予定領域に沿って溶着すると共に割断する工程と、を含み、加熱段階では、ガラス層を溶融させると共に、第１のガラス基板及び第２のガラス基板のそれぞれにおいてガラス層側の主面の温度がガラス層と反対側の主面の温度よりも高くなるように、第１のガラス基板及び第２のガラス基板のそれぞれにおける溶着予定領域に沿った部分に温度差を生じさせ、冷却段階では、溶融したガラス層を固化させると共に、冷却する際に発生する応力によって、初期亀裂を起点としてガラス層を介して第１のガラス基板及び第２のガラス基板の厚さ方向に亀裂を伸展させることを特徴とする。

このガラス溶着方法では、加熱段階において、レーザ光の照射によってガラス層が溶融し、第１のガラス基板及び第２のガラス基板のそれぞれにおける溶着予定領域に沿った部分に、ガラス層側の主面の温度がガラス層と反対側の主面の温度よりも高くなる温度差が生じる。そして、冷却段階において、溶融したガラス層が固化し、冷却によって第１のガラス基板及び第２のガラス基板に応力が発生する。このとき、少なくとも第２のガラス基板に、第１のガラス基板及び第２のガラス基板の厚さ方向から見た場合にガラス層に重なるように初期亀裂が形成されているため、初期亀裂を起点としてガラス層を介して第１のガラス基板及び第２のガラス基板の厚さ方向に亀裂が伸展することになる。これにより、例えばレーザアブレーションによる溶断に比べ汚染物の残存を抑制し、第１のガラス基板と第２のガラス基板とを溶着予定領域に沿って溶着すると共に割断することができる。よって、このガラス溶着方法によれば、信頼性の高いガラス溶着体を製造することが可能となる。なお、ガラス層を第１のガラス基板と第２のガラス基板との間に配置する工程と、少なくとも第１のガラス基板に初期亀裂を形成する工程とは、いずれの工程が先に行われてもよい。

また、本発明に係るガラス溶着方法においては、レーザ光は、第２のガラス基板側から第２のガラス基板を介してガラス層に照射されることが好ましい。この場合、加熱段階では、溶融したガラス層における第２のガラス基板側の部分の温度が最も高くなる。そのため、加熱段階から冷却段階に至る際の温度変化は、第１のガラス基板よりも第２のガラス基板の方が大きくなる。よって、膨張・収縮に伴う変形の度合いは、第１のガラス基板よりも第２のガラス基板の方が大きくなる。つまり、初期亀裂の形成が必須となる第２のガラス基板側の温度変化、延いては変形の度合いを大きくすることで、初期亀裂を起点として亀裂を確実に伸展させることができ、第１のガラス基板及び第２のガラス基板の安定した割断が可能となる。

また、本発明に係るガラス溶着方法においては、初期亀裂は、第２のガラス基板におけるガラス層と反対側の主面に形成されることが好ましい。この場合、ガラス層を第１のガラス基板と第２のガラス基板との間に配置した後に、第２のガラス基板に初期亀裂を形成することができる。これにより、初期亀裂が形成された状態でのガラス基板のハンドリングが不要になるので、歩留りの向上を図ることができる。

また、本発明に係るガラス溶着方法においては、レーザ光は、ガラス層の幅方向におけるビームプロファイルのピーク値が初期亀裂に略一致するように、ガラス層に照射されることが好ましい。この場合、ガラス層の幅方向においては、初期亀裂が形成された位置で、加熱段階から冷却段階に至る際の温度変化が最も大きくなるため、初期亀裂を起点として亀裂をより確実に伸展させることができ、第１のガラス基板及び第２のガラス基板のより安定した割断が可能となる。

また、本発明に係るガラス溶着方法においては、溶着予定領域が角部を有する場合、ガラス層は、角部において交差していることが好ましい。この場合、溶着予定領域の角部において亀裂を確実に交差させることができ、溶着予定領域に沿って第１のガラス基板及び第２のガラス基板を確実に切り出すことが可能となる。

本発明によれば、信頼性の高いガラス溶着体を製造することができる。

本発明に係るガラス溶着方法の一実施形態によって製造されたガラス溶着体の斜視図である。 図１のガラス溶着体を製造するためのガラス溶着方法を説明するための斜視図である。 図１のガラス溶着体を製造するためのガラス溶着方法を説明するための斜視図である。 図１のガラス溶着体を製造するためのガラス溶着方法を説明するための斜視図である。 図１のガラス溶着体を製造するためのガラス溶着方法を説明するための斜視図である。 加熱段階におけるガラス層及びガラス基板の温度プロファイルを示す図である。 冷却段階におけるガラス層及びガラス基板の温度プロファイルを示す図である。 初期亀裂の他の態様を示す断面図である。 初期亀裂の他の態様を示す断面図である。 初期亀裂の他の態様を示す断面図である。 初期亀裂の他の態様を示す断面図である。 初期亀裂とレーザ光との位置関係を示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、ガラス溶着体１は、溶着予定領域Ｒに沿って形成されたガラス層３を介して、ガラス部材４とガラス部材５とが溶着されたものである。ガラス部材４，５は、例えば、無アルカリガラスからなる厚さ０．７ｍｍの矩形板状の部材であり、溶着予定領域Ｒは、ガラス部材４，５の外縁に沿うように所定の幅で矩形環状に設定されている。ガラス層３は、例えば、低融点ガラス（バナジウムリン酸系ガラス、鉛ホウ酸ガラス等）からなり、溶着予定領域Ｒに沿うように所定の幅で矩形環状に形成されている。

次に、上述したガラス溶着体１を製造するためのガラス溶着方法について説明する。

まず、図２に示されるように、ガラス部材４の母材となるガラス基板（第１のガラス基板）４０の主面４０ａに、ディスペンサやスクリーン印刷等によってフリットペーストを塗布することにより、溶着予定領域Ｒに沿ってペースト層６を形成する。フリットペーストは、例えば、低融点ガラス（バナジウムリン酸系ガラス、鉛ホウ酸ガラス等）からなる粉末状のガラスフリット（ガラス粉）２、酸化鉄等の無機顔料であるレーザ光吸収性顔料（レーザ光吸収材）、酢酸アミル等である有機溶剤及びガラスの軟化点温度以下で熱分解する樹脂成分（アクリル等）であるバインダを混練したものである。

なお、ガラス基板４０は、２次元的に配列された複数のガラス部材４を含む矩形板状の基板である。このガラス基板４０からガラス部材４を切り出すために、矩形環状に延在する溶着予定領域Ｒは、各ガラス部材４に対応してガラス基板４０の主面４０ａに２次元的に配列されるように設定される。また、ペースト層６は、溶着予定領域Ｒの角部において交差するように（すなわち、十字状となるように）形成される。

続いて、ペースト層６を乾燥させて有機溶剤を除去することにより、ガラス基板４０の主面４０ａにガラス層３を固着させる。続いて、ガラス層３に集光スポットを合わせてレーザ光を溶着予定領域Ｒに沿って照射することにより、バインダをガス化させてガラス層３から除去すると共にガラス層３を溶融・再固化させ、ガラス基板４０の主面４０ａにガラス層３を焼き付けて定着させる（仮焼成）。なお、ガラス層３の仮焼成は、レーザ光を照射することに代えて、炉内で加熱することにより行ってもよい。

続いて、図３に示されるように、ガラス層３が定着したガラス基板４０にガラス層３を介してガラス基板（第２のガラス基板）５０を重ね合わせる。ガラス基板５０は、ガラス基板４０と同様に、２次元的に配列された複数のガラス部材５を含む矩形板状の基板である。これにより、矩形環状に延在する溶着予定領域Ｒに沿って、レーザ光吸性顔料を含むガラス層３が所定の幅でガラス基板４０とガラス基板５０との間に配置されることになる。また、ガラス層３が溶着予定領域Ｒの角部において交差することになる。

続いて、図４に示されるように、ガラス基板５０におけるガラス層３と反対側の主面（すなわち、ガラス基板５０におけるガラス層３側の主面５０ａに対向する主面）５０ｂに、ダイヤモンドスクライバやレーザスクライバ等によって初期亀裂８（ここでは、スクライブライン、すなわち、溝）を形成する。この初期亀裂８は、ガラス基板４０，５０の厚さ方向から見た場合にガラス層３に重なるように、ガラス基板５０の主面５０ｂに格子状に形成される。

続いて、図５に示されるように、初期亀裂８の一部を含むようにガラス層３にレーザ光Ｌを照射し、溶着予定領域Ｒに沿ってレーザ光Ｌの照射領域を相対的に移動させる。このとき、レーザ光Ｌは、ガラス層３の幅方向におけるビームプロファイルのピーク値が初期亀裂８に略一致するように、ガラス基板５０側からガラス基板５０を介してガラス層３に照射される。これにより、ガラス層３及びガラス基板４０，５０に、部分的に加熱段階と冷却段階とを順次経させて、ガラス基板４０とガラス基板５０とを溶着予定領域Ｒに沿って溶着する（すなわち、ガラス層３及びその周辺部分（ガラス基板４０，５０の主面４０ａ，５０ａ部分）を溶融・再固化させる（本焼成））と共に、ガラス基板４０とガラス基板５０とを溶着予定領域Ｒに沿って割断し、ガラス溶着体１を得る。なお、図５の一転鎖線の矢印のように、格子状に設定された溶着予定領域Ｒに沿って、レーザ光Ｌの照射領域をジグザグ状に移動させれば、ガラス層３に対するレーザ光Ｌの照射を効率良く実施することができる。

ここで、上述した加熱段階及び冷却段階について、より詳細に説明する。まず、加熱段階は、図６に示されるように、ガラス基板５０側からガラス基板５０を介してガラス層３にレーザ光Ｌが照射された段階である。この加熱段階では、ガラス層３を溶融させると共に、各ガラス基板４０，５０においてガラス層３側の主面４０ａ，５０ａの温度がガラス層３と反対側の主面４０ｂ、５０ｂの温度よりも高くなるように、各ガラス基板４０，５０における溶着予定領域Ｒに沿った部分に温度差を生じさせる。これにより、ガラス基板４０，５０においてガラス層３に対応する部分が膨張することになる。

次に、冷却段階は、図７に示されるように、ガラス層３に対するレーザ光Ｌの照射直後の段階であり、より具体的には、溶着予定領域Ｒに沿ったレーザ光Ｌの照射領域の相対的な移動によって、ガラス層３に対するレーザ光Ｌの照射が終わった段階である。この冷却段階では、溶融したガラス層３を固化させると共に、冷却する際に発生する応力によって、初期亀裂８を起点としてガラス層３を介してガラス基板４０，５０の厚さ方向に亀裂９を伸展させる。つまり、ガラス基板４０，５０においてガラス層３に対応する部分が収縮して、初期亀裂８を開くようにガラス基板４０，５０に引張応力が発生し、その結果、初期亀裂８を起点として亀裂９が生じ、その亀裂９がガラス層３を介してガラス基板４０，５０の厚さ方向に伸展することになる。

なお、ガラス基板５０側からガラス基板５０を介してガラス層３にレーザ光Ｌが照射されるので、加熱段階では、図６に示されるように、溶融したガラス層３におけるガラス基板５０側の部分の温度が最も高くなる。そのため、加熱段階から冷却段階に至る際の温度変化は、図６，７に示されるように、ガラス基板４０よりも、レーザ光Ｌの入射側のガラス基板５０の方が大きくなる。よって、膨張・収縮に伴う変形の度合いは、ガラス基板４０よりも、レーザ光Ｌの入射側のガラス基板５０の方が大きくなる。

以上説明したように、ガラス溶着体１の製造するためのガラス溶着方法では、加熱段階において、レーザ光Ｌの照射によってガラス層３が溶融し、各ガラス基板４０，５０における溶着予定領域Ｒに沿った部分に、ガラス層３側の主面４０ａ，５０ａの温度がガラス層３と反対側の主面４０ｂ，５０ｂの温度よりも高くなる温度差が生じる。そして、冷却段階において、溶融したガラス層３が固化し、冷却によってガラス基板４０，５０に応力が発生する。このとき、ガラス基板５０に、ガラス基板４０，５０の厚さ方向から見た場合にガラス層３に重なるように初期亀裂８が形成されているため、初期亀裂８を起点としてガラス層３を介してガラス基板４０，５０の厚さ方向に亀裂９が伸展することになる。これにより、例えばレーザアブレーションによる溶断に比べ汚染物の残存を抑制し、ガラス基板４０とガラス基板５０とを溶着予定領域Ｒに沿って溶着すると共に割断することができる。よって、このガラス溶着方法によれば、信頼性の高いガラス溶着体１を製造することが可能となる。

また、レーザ光Ｌは、初期亀裂８が形成されたガラス基板５０側からガラス基板５０を介してガラス層３に照射される。これにより、加熱段階では、溶融したガラス層３におけるガラス基板５０側の部分の温度が最も高くなる。そのため、加熱段階から冷却段階に至る際の温度変化は、ガラス基板４０よりもガラス基板５０の方が大きくなる。よって、膨張・収縮に伴う変形の度合いは、ガラス基板４０よりも、レーザ光Ｌの入射側のガラス基板５０の方が大きくなる。つまり、初期亀裂８が形成されたガラス基板５０側の温度変化、延いては変形の度合いを大きくすることで、初期亀裂８を起点として亀裂９を確実に伸展させることができ、ガラス基板４０，５０の安定した割断が可能となる。

また、初期亀裂８は、ガラス基板５０におけるガラス層３と反対側の主面５０ｂに形成される。これにより、ガラス層３を介してガラス基板４０とガラス基板５０とを重ね合わせた後に、ガラス基板５０に初期亀裂８を形成することができる。しかも、初期亀裂８が形成された状態でのガラス基板５０のハンドリングが不要になるので、歩留りの向上を図ることができる。

また、レーザ光Ｌは、ガラス層３の幅方向におけるビームプロファイルのピーク値が初期亀裂８に略一致するように、ガラス層３に照射される。これにより、ガラス層３の幅方向においては、初期亀裂８が形成された位置で、加熱段階から冷却段階に至る際の温度変化が最も大きくなるため、初期亀裂８を起点として亀裂９を確実に伸展させることができ、ガラス基板４０，５０の安定した割断が可能となる。

また、溶着予定領域Ｒの角部においてガラス層３が交差しているので、その角部において亀裂９を確実に交差させることができ、溶着予定領域Ｒに沿ってガラス基板４０，５０を確実に切り出すことが可能となる。これは、ガラス基板４０，５０からガラス部材４，５を多数個取りするような場合に特に有効である。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、ガラス層３を介してガラス基板４０とガラス基板５０とを重ね合わせる前に、ガラス基板４０，５０の少なくとも一方に初期亀裂８を形成してもよい。

また、初期亀裂８は、ガラス層３が延在する全ての部分で重なるスクライブラインのようなものに限定されず、ガラス層３の一部と重なる点状の切欠きのようなものであってもよい。この場合にも、そのような初期亀裂８を含むようにガラス層３にレーザ光Ｌを照射し、溶着予定領域Ｒに沿ってレーザ光Ｌの照射領域を相対的に移動させていけば、初期亀裂８を起点として生じた亀裂９を溶着予定領域Ｒに沿って伸展させていくことができる。

また、初期亀裂８の形成位置は、図８（ａ）に示されるように、レーザ光Ｌの入射側のガラス基板５０におけるガラス層３側の主面５０ａでもよい。この場合、加熱段階で、溶融したガラス層３におけるガラス基板５０側の部分の温度が最も高くなり、その結果、加熱段階から冷却段階に至る際の温度変化が最も大きくなる位置に、初期亀裂８が形成されることになる。従って、初期亀裂８を起点として亀裂９をより確実に伸展させることができる。なお、初期亀裂８の形成位置は、図８（ｂ）に示されるように、その反対側のガラス基板４０におけるガラス層３側の主面４０ａでもよいし、図８（ｃ）に示されるように、ガラス基板４０におけるガラス層３と反対側の主面４０ｂでもよい。

更に、初期亀裂８の形成位置は、図９，１０に示されるように、ガラス基板４０，５０の両方であってもよい。各ガラス基板４０，５０に初期亀裂８を形成すれば、ガラス基板４０，５０の割断面の蛇行を確実に防止することができ、ガラス基板４０，５０の厚さ方向に沿った高精度な割断面を得ることが可能となる。

また、初期亀裂８は、図１１に示されるように、ガラス基板４０，５０の少なくとも一方の内部に形成されたクラック等の改質領域であってもよい。このような割れの起点となる改質領域は、ガラス基板４０，５０の少なくとも一方の内部に集光点を合わせてレーザ光を照射し、その集光点の位置で多光子吸収等を生じさせることにより、形成される。このような場合、ガラス層３を介してガラス基板４０とガラス基板５０とを重ね合わせた後でも、加熱段階から冷却段階に至る際の温度変化が最も大きくなる位置等、所望の位置に初期亀裂８を形成することができる。また、ガラス層３を介してガラス基板４０とガラス基板５０とを重ね合わせる前に初期亀裂８を形成しても、初期亀裂８の形成位置が内部であることからガラス基板４０，５０の強度が維持され、ガラス基板４０，５０のハンドリングが容易となる。

また、図１２に示されるように、初期亀裂８の形成位置は、ガラス層３の幅方向において、ガラス層３の中心からずれていてもよい。この場合にも、ガラス層３の幅方向におけるビームプロファイルのピーク値が初期亀裂８に略一致するようにレーザ光Ｌをガラス層３に照射すれば、初期亀裂８を起点として亀裂９をより確実に伸展させることができ、ガラス基板４０，５０のより安定した割断が可能となる。これは、ガラス層３の幅方向においては、初期亀裂８が形成された位置で、加熱段階から冷却段階に至る際の温度変化が最も大きくなるためである。なお、ガラス溶着体１においてガラス層３の溶着代を大きく確保するためには、ガラス溶着体１になる側と反対側に初期亀裂８の形成位置をずらせばよい。

また、レーザ光Ｌの照射対象となるガラス層３として、レーザ光吸収性顔料を含むフィルム状（層状）の部材を用いてもよい。また、レーザ光の照射によって仮焼成が行われる場合、ガラス層３を構成するガラスフリット２等のガラス材は、ガラス基板４０，５０の融点よりも低い融点を有するものに限定されず、ガラス基板４０，５０の融点以上の融点を有するものであってもよい。また、レーザ光吸収性顔料は、ガラス層３を構成するガラスフリット２等のガラス材自体に含まれていてもよい。

１…ガラス溶着体、３…ガラス層、４０…ガラス基板（第１のガラス基板）、５０…ガラス基板（第２のガラス基板）、Ｒ…溶着予定領域、Ｌ…レーザ光。

Claims (5)

1. 第１のガラス基板と第２のガラス基板とを溶着してガラス溶着体を製造するガラス溶着方法であって、
   延在する溶着予定領域に沿うように、レーザ光吸収材を含むガラス層を所定の幅で前記第１のガラス基板と前記第２のガラス基板との間に配置する工程と、
   前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板の厚さ方向から見た場合に前記ガラス層に重なるように、前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板のうちの少なくとも前記第２のガラス基板に初期亀裂を形成する工程と、
   前記初期亀裂の少なくとも一部を含むように前記ガラス層にレーザ光を照射し、前記溶着予定領域に沿って前記レーザ光の照射領域を相対的に移動させることにより、前記ガラス層、前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板に加熱段階と冷却段階とを経させて、前記第１のガラス基板と前記第２のガラス基板とを前記溶着予定領域に沿って溶着すると共に割断する工程と、を含み、
   前記加熱段階では、前記ガラス層を溶融させると共に、前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板のそれぞれにおいて前記ガラス層側の主面の温度が前記ガラス層と反対側の主面の温度よりも高くなるように、前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板のそれぞれにおける前記溶着予定領域に沿った部分に温度差を生じさせ、
   前記冷却段階では、溶融した前記ガラス層を固化させると共に、冷却する際に発生する応力によって、前記初期亀裂を起点として前記ガラス層を介して前記第１のガラス基板及び前記第２のガラス基板の厚さ方向に亀裂を伸展させることを特徴とするガラス溶着方法。
2. 前記レーザ光は、前記第２のガラス基板側から前記第２のガラス基板を介して前記ガラス層に照射されることを特徴とする請求項１記載のガラス溶着方法。
3. 前記初期亀裂は、前記第２のガラス基板における前記ガラス層と反対側の主面に形成されることを特徴とする請求項１又は２記載のガラス溶着方法。
4. 前記レーザ光は、前記ガラス層の幅方向におけるビームプロファイルのピーク値が前記初期亀裂に略一致するように、前記ガラス層に照射されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のガラス溶着方法。
5. 前記溶着予定領域が角部を有する場合、前記ガラス層は、前記角部において交差していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のガラス溶着方法。

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