JP5431583B2 - 強化ガラス板の切断方法 - Google Patents

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Description

本発明は、強化ガラス板の切断方法に関する。
近年、携帯電話やPDAなどの携帯機器において、ディスプレイ(タッチパネルを含む)の保護や美観などを高めるため、カバーガラス(保護ガラス)を用いることが多くなっている。また、ディスプレイの基板として、ガラス基板が広く用いられている。
一方、携帯機器の薄型化・軽量化が進行しており、携帯機器に用いられるガラスの薄板化が進行している。ガラスが薄くなると強度が低くなるので、ガラスの強度不足を補うため、圧縮応力が残留する表面層及び裏面層を有する強化ガラスが開発されている。強化ガラスは、自動車用窓ガラスや建築用窓ガラスとしても用いられている。
強化ガラスは、例えば風冷強化法や化学強化法などで作製される。風冷強化法は、軟化点付近の温度のガラスを表面及び裏面から急冷し、ガラスの表面及び裏面と内部との間に温度差をつけることで、圧縮応力が残留する表面層及び裏面層を形成する。一方、化学強化法は、ガラスの表面及び裏面をイオン交換し、ガラスに含まれる小さなイオン半径のイオン(例えば、Liイオン、Naイオン)を、大きなイオン半径のイオン(例えば、Kイオン)に置換することで、圧縮応力が残留する表面層及び裏面層を形成する。いずれの方法でも、反作用として、表面層と裏面層との間に、引張応力が残留する中間層を形成することになる。
強化ガラスを製造する場合、製品サイズのガラスを1枚ずつ強化処理するよりも、製品サイズよりも大型のガラスを強化処理した後、切断して多面取りすることが効率的である。
そこで、強化ガラス板を切断する方法として、強化ガラス板の表面にレーザ光を照射し、強化ガラス板の表面上で、レーザ光の照射領域を移動させることで、強化ガラス板を切断する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2008−247732号公報
ところで、上記の特許文献1では、レーザ光の光源として、炭酸ガスレーザを用いているので、レーザ光の大部分が強化ガラス板の表面近傍で熱として吸収されてしまう。そのため、ガラス表面におけるレーザ光の照射領域の直下に、残留引張応力よりも大きい引張応力が生じる。その結果、切断時に形成されるクラックが、レーザ光の照射領域を越えて、意図しない方向に急激に伸展することがあり、切断線の軌跡精度の悪化、すなわち切断線が所望の切断予定線から外れたり、または切断できずにガラスが粉砕したりすることもある。この傾向は、残留引張応力が大きくなるほど顕著である。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、切断線の軌跡精度が良好な強化ガラス板の切断方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一の態様による強化ガラス板の切断方法は、
残留圧縮応力を有する表面層及び裏面層と、表面層と裏面層との間に形成され、内部残留引張応力を有する中間層とを備える強化ガラス板の切断方法において、
前記中間層の内部残留引張応力が15MPa以上であり、
前記強化ガラス板の表面にレーザ光を照射し、該表面上で切断予定線に沿って前記レーザ光の照射領域を移動させ、前記照射領域における前記中間層を徐冷点以下の温度で加熱することで、前記照射領域の中心における前記中間層に前記内部残留引張応力の値よりも小さい引張応力、または、圧縮応力を形成、前記内部残留引張応力によるラックの伸展を抑制しつつ、前記照射領域の後方に前記強化ガラス板を板厚方向に貫通するクラックを追従させて前記強化ガラス板を切断することを特徴とする。
本発明によれば、切断線の軌跡精度が良好な強化ガラス板の切断方法を提供することができる。
本発明の第1の実施形態に係る強化ガラス板の切断方法の説明図(1)である。 本発明の第1の実施形態に係る強化ガラス板の切断方法の説明図(2)である。 レーザ光を照射する前の化学強化ガラス板の残留応力の分布例を示す模式図である。 レーザ光を照射する前の風冷強化ガラス板の残留応力の分布例を示す模式図である。 レーザ光を照射する前の強化ガラス板の一例を示す断面図である。 レーザ光の照射領域の真円度の一例を示す説明図である。 レーザ光の集光位置の一例を示す模式図である。 レーザ光の光軸の一例を示す模式図である。 図1BのA−A線に沿った断面における応力の分布例を示す模式図である。 図1BのB−B線に沿った断面における応力の分布例を示す模式図である。 本発明の第2の実施形態に係る強化ガラス板の切断方法の説明図である。 本発明の第3の実施形態に係る強化ガラス板の切断方法の説明図(1)である。 本発明の第3の実施形態に係る強化ガラス板の切断方法の説明図(2)である。 本発明の第4の実施形態に係る強化ガラス板の切断方法の説明図(1)である。 本発明の第4の実施形態に係る強化ガラス板の切断方法の説明図(2)である。 本発明の第5の実施形態に係る強化ガラス板の切断方法の説明図である。 例7−1〜例7−2における強化ガラス板の表面の切断予定線を示す図である。 本発明の第1の実施形態に係る強化ガラス板の切断方法の説明図(3)である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
[第1の実施形態]
図1A及び図1Bは、本発明の第1の実施形態に係る強化ガラス板の切断方法の説明図である。図1Bは、図1Aの平面図である。図1A及び図1Bに示すように、強化ガラス板10の表面(一方の主面)12にレーザ光20を照射し、強化ガラス板10の表面12上で、レーザ光20の照射領域22を移動させることで、強化ガラス板10に応力を印加して、強化ガラス板10を切断する。
強化ガラス板10は、例えば風冷強化法や化学強化法などで作製される。強化用のガラスの種類は、用途に応じて選択される。例えば、自動車用窓ガラスや建築用窓ガラス、PDP用のガラス基板、カバーガラスの場合、強化用のガラスとしては、ソーダライムガラスが用いられる。また、LCD用のガラス基板の場合、強化用のガラスとしては、アルカリ金属元素を実質的に含まない無アルカリガラスが用いられる。
風冷強化法は、軟化点付近の温度のガラスを表面及び裏面(両主面)から急冷し、ガラスの表面及び裏面(両主面)と内部との間に温度差をつけることで、圧縮応力が残留する表面層及び裏面層を形成する。風冷強化法は、厚いガラスを強化するのに好適である。
化学強化法は、ガラスの表面及び裏面(両主面)をイオン交換し、ガラスに含まれる小さなイオン半径のイオン(例えば、Liイオン、Naイオン)を大きなイオン半径のイオン(例えば、Kイオン)に置換することで、圧縮応力が残留する表面層及び裏面層を形成する。化学強化法は、アルカリ金属元素を含むソーダライムガラスを強化するのに好適である。
これらの風冷強化法、化学強化法では、圧縮応力が残留する表面層及び裏面層を形成する反作用として、表面層と裏面層との間に引張応力が残留する中間層を形成することになる。
図2Aは、レーザ光を照射する前の化学強化ガラス板の残留応力の分布例を示す模式図である。図2Bは、レーザ光を照射する前の風冷強化ガラス板の残留応力の分布例を示す模式図である。図3は、レーザ光を照射する前の強化ガラス板の一例の断面図である。図3において、矢印の方向は、応力の作用方向を示し、矢印の大きさは、応力の大きさを示す。
図3に示すように、強化ガラス板10は、圧縮応力が残留する表面層13及び裏面層15と、表面層13と裏面層15との間に設けられ、引張応力が残留する中間層17とを有する。強化ガラス板10の端面の表層は、圧縮応力が残留する層のみで構成されても良いし、圧縮応力が残留する層と引張応力が残留する層とで構成されても良い。
図2A及び図2Bに示すように、表面層13及び裏面層15に残留する圧縮応力(>0)は、強化ガラス板10の表面12及び裏面14から内部に向けて徐々に小さくなる傾向がある。化学強化の場合、図2Aに示すように、中間層17に残留する引張応力(>0)はほぼ一定である。また、風冷強化の場合、図2Bに示すように、中間層17に残留する引張応力(>0)は、ガラスの内部から表面12及び裏面14に向けて徐々に小さくなる。
図2A及び図2Bにおいて、CSは表面層13や裏面層15における最大残留圧縮応力(表面圧縮応力)(>0)、CTは中間層17における内部残留引張応力(中間層17の残留引張応力の平均値)(>0)、CM(図2B参照)は中間層17における最大残留引張応力、DOLは表面層13や裏面層15の厚さをそれぞれ示す。CSやCT、CM、DOLは、強化処理条件で調節可能である。例えば、CSやCT、CM、DOLは、風冷強下法の場合、ガラスの冷却速度などで調節可能である。また、CSやCT、CM、DOLは、化学強化法の場合、ガラスを処理液(例えば、KNO溶融塩)に浸漬してイオン交換するので、処理液の濃度や温度、浸漬時間などで調節可能である。なお、本実施形態の表面層13及び裏面層15は、同じ厚さ、同じ最大残留圧縮応力を有するが、異なる厚さを有しても良いし、異なる最大残留圧縮応力を有しても良い。
強化ガラス板10の表面12には、切断予定線に沿って、スクライブ線(溝線)が予め形成されていない。スクライブ線を予め形成しても良いが、この場合、工程数が増えるので、作業が繁雑である。また、スクライブ線を予め形成すると、ガラスが欠けることがある。
強化ガラス板10の端部には、切断開始位置に、初期クラックが予め形成されている。初期クラックの形成方法は、一般的な方法であって良く、例えばカッタやヤスリ、レーザで形成される。工程数を削減するため、初期クラックを予め形成しなくても良い。特に、強化ガラス板10の端部が切断前に予め回転砥石などで研削されている場合、研削時にマイクロクラックが形成されるので、初期クラックを予め形成しなくて良い。
強化ガラス板10の表面12上において、レーザ光20の照射領域22(例えばレーザ光20の照射領域22の中心)は、強化ガラス板10の端部から内側に向けて、切断予定線に沿って、直線状や曲線状に移動される。これによって、強化ガラス板10の端部から内側に向けてクラック30(図1A及び図1B参照)を形成し、強化ガラス板10を切断する。レーザ光20の照射領域22は、P字状に移動されても良く、この場合、移動経路に含まれる切断予定線の終端は、切断予定線の途中と交わる。
強化ガラス板10の表面12上において、レーザ光20の照射領域22を移動させるため、強化ガラス板10を支持する支持体を、移動または回転しても良いし、レーザ光20の光源を移動しても良い。また、レーザ光20の経路の途中に設けられるミラーを回転しても良い。
強化ガラス板10の表面12上において、レーザ光20の照射領域22は、例えば図1A及び図1Bに示すように、円状に形成されているが、矩形状や楕円状などであっても良く、その形状に制限はない。なお、照射領域22の真円度は0.5R以下が好ましい。真円度が0.5R以下であると、強化ガラス板10の表面12上で曲線形状の切断予定線に沿って照射領域22の中心を移動させるとき、照射領域22の回転制御の要求精度が低いので好ましい。また、照射領域22の回転制御の精度が同程度の場合、切断予定線の法線方向における照射領域22の幅の変化が小さくなるため、切断精度が高くなる。例えば、切断予定線の曲率半径が小さい場合であっても精度良く切断できる。より好ましくは、真円度が0.3R以下である。さらに好ましくは、真円度が0.2R以下である。ここで、真円度は、図4に示すように、照射領域22の外接円C11及び内接円C12である2つの同心円の半径R、rの差である。なお、Rは照射領域22の外接円C11の半径を示し、rは照射領域22の内接円C12の半径を示す。
強化ガラス板10の表面12上において、レーザ光20の照射領域22は、強化ガラス板10の厚さや、最大残留圧縮応力(CS)、内部残留引張応力(CT)、表面層13や裏面層15の厚さ(DOL)、レーザ光20の光源出力などに応じた速度で移動される。
レーザ光20の光源としては、特に限定されないが、例えば、UVレーザ(波長:355nm)、グリーンレーザ(波長:532nm)、半導体レーザ(波長:808nm、940nm、975nm)、ファイバーレーザ(波長:1060〜1100nm)、YAGレーザ(波長:1064nm、2080nm、2940nm)、中赤外光パラメトリック発振器を使用したレーザ(波長:2600〜3450nm)などが挙げられる。レーザ光20の発振方式に制限はなく、レーザ光を連続発振するCWレーザ、レーザ光を断続発振するパルスレーザのいずれも使用可能である。また、レーザ光20の強度分布に制限はなく、ガウシアン型であっても、トップハット型であっても良い。
光源から出射されたレーザ光20は、集光レンズなどで集光され、強化ガラス板10の表面12に結像される。
レーザ光20の集光位置は、強化ガラス板10の表面12を基準として、レーザ光源側であっても良いし、裏面14側であっても良い。また、加熱温度が高くなりすぎない、すなわち徐冷点以下を保てる集光面積であれば、図5に示すように、レーザ光20の集光位置は強化ガラス板10中、特に中間層17内であっても良い。
レーザ光20の集光位置が中間層17内にある場合、レーザ光20によって応力が発生する領域を最小にできるので、切断精度を高めることができると共に、レーザ光20の光源出力を低減することができる。
ところで、詳しくは後述するが、レーザ光20は、強化ガラス板10を通過する過程で熱として吸収され、強度が低くなる。
レーザ光20の集光位置が裏面14またはその近傍(例えば裏面層15と中間層17との境界)にある場合、裏面14におけるレーザ光20の単位面積あたりの強度(パワー密度)が高くなるので、表面12の加熱温度と、裏面14の加熱温度との差が小さくなる。よって、加熱効率が良く、レーザ光20の光源出力が低減される。
レーザ光20の光軸21は、強化ガラス板10の表面12において、例えば図1A及び図5(図1Aでは光軸の図示を省略する)に示すように表面12と直交していても良いし、図6に示すように表面12と斜めに交わっていても良い。表面12で反射するレーザ光20が、レーザ発振器に影響を及ぼすおそれがある場合、レーザ光20の光軸21が表面12と斜めに交わると、ほとんどの反射光がレーザ発振器に戻らないため、影響を小さくすることができる。また、強化ガラス板10の表面12にレーザ光20を吸収する性質を有する膜18が形成されているような場合、レーザ光20が膜18に吸収されることで表面12が加熱され、強化ガラス板10を切断することができない。しかしながら、図6に示すように、レーザ光20の光軸21が表面12と斜めに交わると、切断予定線が膜18の縁と重なっていても切断が可能となる。膜18としては、例えば、意匠性向上のためのセラミック膜や樹脂膜、及び、機能性向上のための透明電極膜等が挙げられる。
従来の方法は、レーザ光のみの作用で切断するため、残留引張応力が大きな強化ガラスでは中間層の残留引張応力によるクラックが意図しない方向に急激に伸展し、所望の形状で切断出来なかった。
一方、本実施形態では、強化ガラス板10とレーザ光20とが後述の式を満たすことによって、レーザ光20のみの作用ではなく、中間層17の残留引張応力によるクラックの伸展を利用して強化ガラス板10を切断する。すなわち、詳しくは後述するが、上記条件でレーザ光20の照射領域22における中間層17を徐冷点以下の温度で加熱することによって、中間層17の残留引張応力によって強化ガラス板10に生じるクラック30の伸展を制御して、残留引張応力によるクラック30によって強化ガラス板10を切断することが可能となる。なお、中間層17を徐冷点以下の温度で加熱するのは、徐冷点を超えて加熱すると、レーザ光が通過する短時間でもガラスが高温となり粘性流動が発生しやすい状態となるため、この粘性流動によりレーザ光によって発生させた圧縮応力が緩和されるからである。
図7は、図1BのA−A線に沿った断面における応力の分布例を示す模式図であって、レーザ光の照射領域を含む断面における応力の分布例を示す模式図である。図8は、図1BのB−B線に沿った断面における応力の分布例を示す模式図であって、図7に示す断面よりも後方の断面における応力の分布例を示す模式である。ここで、「後方」とは、レーザ光20の走査方向後方を意味する。図7及び図8において、矢印の方向は、応力の作用方向を示し、矢印の長さは、応力の大きさを示す。
レーザ光20の照射領域22における中間層17では、レーザ光20の強度が十分に高いので、温度が周辺に比べて高くなり、図2A、図2B及び図3に示す残留引張応力よりも小さい引張応力、または、圧縮応力が生じる。残留引張応力よりも小さい引張応力、または、圧縮応力が生じている部分では、クラック30の伸展が抑制される。クラック30の伸展を確実に防止するため、図7に示すように、圧縮応力が生じていることが好ましい。
なお、レーザ光20の照射領域22における表面層13や裏面層15では、図2A、図2B及び図3に示す残留圧縮応力よりも大きい圧縮応力が生じているので、クラック30の伸展が抑制されている。
図7に示す圧縮応力との釣り合いのため、図7に示す断面よりも後方の断面では、図8に示すように、中間層17に引張応力が生じる。この引張応力は、残留引張応力よりも大きく、引張応力が所定値に達している部分に、クラック30が形成される。クラック30は強化ガラス板10の表面12から裏面14まで貫通しており、本実施形態の切断は所謂フルカット切断である。
この状態で、レーザ光20の照射領域22を移動させると、強化ガラス板10の内部において照射領域22の位置が前述したように図7のような応力分布になっているため、クラック30が切断予定線から外れて自走するようなことはなく、照射領域22の位置に追従するようにクラック30の先端位置が移動する。従って、レーザ光20によってクラック30の伸展を制御できる。
図14は、照射領域22近傍における強化ガラス板10の板厚中心の応力分布を、切断予定線に沿った断面で示す図である。本実施形態では、強化ガラス板10の内部において、切断予定線に沿って図14のような応力を形成している。すなわち、レーザ光20の照射領域22の中心における中間層17において、内部残留引張応力(CT)の値よりも小さい引張応力、または、圧縮応力を形成させ、クラックの伸展を抑制している(図14では圧縮応力を形成した例を示す)。言い換えると、本実施形態では内部残留引張応力(CT)の値よりも小さい引張応力、または、圧縮応力を形成することにより、切断予定線上の照射領域22後方から追従してくるクラックが照射領域22を追い越して伸展していくことを防止している。なお、レーザ光20の照射領域22の中心における中間層17に、内部残留引張応力(CT)の値よりも小さい引張応力、または、圧縮応力を形成することで、この応力が形成された箇所の切断予定線における前後には、内部残留引張応力(CT)の値よりも大きい引張応力が形成されている。特に、照射領域22の後方に形成される内部残留引張応力(CT)の値よりも大きい引張応力によって、クラックの伸展が促される。なお、切断予定線における照射領域22の後方では、クラックの伸展により強化ガラス板10が切断されているため、応力がゼロとなっている。
強化ガラス板10を通過するレーザ光20は、強化ガラス板10の表面12における強度をIとし、強化ガラス板10中を距離L(cm)だけ移動したときのレーザ光20の強度をIとすると、I=I×exp(−α×L)の式が成立する。この式は、ランベルト・ベールの法則と呼ばれるものである。αはレーザ光20に対する強化ガラス板10の吸収係数(cm−1)を表す。
レーザ光20は、強化ガラス板10の表面12に対して垂直に入射すると、強化ガラス板10の厚さt(cm)と同じ距離を移動して裏面14から出射する。この場合、強化ガラス板10とレーザ光20とが0<α×t≦3.0の式を満たすことによって、好適にレーザ光20が強化ガラス板10の表面で吸収されずに内部にまで到達するようになる。こうして、強化ガラス板10の内部が十分に加熱され、上述のように強化ガラス板10に生じる応力は図3に示す状態から図7や図8に示す状態に変化する。
このように、本実施形態では、α×tを0より大きく3.0以下とすることで、強化ガラス板10において、レーザ光20によってクラック30の伸展を好適に制御できる。そして、照射領域22の直後をクラック30が伸展するため、切断線が照射領域22の移動軌跡どおりに形成されるため、切断精度を向上できる。なお、クラック30の先端は、照射領域22の直後を追従するのでなく、照射領域22と重なって追従しても良い。クラック30の先端が照射領域22に近いほど、または重なっていることが切断精度をより向上させる。
ガラスは、用途によっては、高い透明度が要求されるので、使用レーザ波長が可視光の波長領域に近い場合はα×tは0に近いほど良い。しかし、α×tは、小さすぎると吸収効率が悪くなるので、好ましくは0.0005以上(レーザ光吸収率0.05%以上)、より好ましくは0.002以上(レーザ光吸収率0.2%以上)、さらに好ましくは0.004以上(レーザ光吸収率0.4%以上)である。
ガラスは、用途によっては、逆に低い透明度が要求されるので、使用レーザ波長が可視光の波長領域に近い場合はα×tは大きいほど良い。しかし、α×tが大きすぎるとレーザ光の表面吸収が大きくなるのでクラック伸展を制御できなくなる。このため、α×tは、好ましくは3.0以下(レーザ光吸収率95%以下)、より好ましくは0.105以下(レーザ光吸収率10%以下)、さらに好ましくは0.02以下(レーザ光吸収率2%以下)である。
ところで、本発明者の知見によると、中間層17の内部残留引張応力(CT)が30MPa以上になると、中間層17の残留引張応力のみで、強化ガラス板10に形成されたクラックが自然に伸展する(自走する)。
そこで、切断に使用される引張応力のうち、中間層17の残留引張応力が、レーザ光20によって発生する引張応力よりも支配的となるように、内部残留引張応力(CT)は、15MPa以上であることが好ましい。これによって、強化ガラス板10の内部において、引張応力が所定値に達する位置(即ち、クラック30の先端位置)と、レーザ光20の位置との間の距離が十分に短くなるので、切断精度を向上できる。
中間層17の内部残留引張応力(CT)は、より好ましくは30MPa以上、さらに好ましくは40MPaである。内部残留引張応力(CT)が30MPa以上であると、切断に使用される引張応力は中間層17の残留引張応力のみとなり、切断線の軌跡精度をさらに向上できる。
本実施形態の化学強化ガラスの切断において、内部残留引張応力(CT)の上限値は120MPaである。現在の技術では、強化処理の技術上の理由で、120MPa程度までしか強化できないが、内部残留引張応力(CT)が120MPaを超える化学強化ガラスを製造できれば、本発明を適用することも当然に可能である。
吸収係数(α)は、レーザ光20の波長、強化ガラス板10のガラス組成などで定まる。例えば、強化ガラス板10中の酸化鉄(FeO、Fe、Feを含む)の含有量、酸化コバルト(CoO、Co、Coを含む)の含有量、酸化銅(CuO、CuOを含む)の含有量が多くなるほど、1000nm付近の近赤外線波長領域での吸収係数(α)が大きくなる。さらに、強化ガラス板10中の希土類元素(例えばYb)の酸化物の含有量が多くなるほど、希土類原子の吸収波長付近で吸収係数(α)が大きくなる。
1000nm付近の近赤外線波長領域での吸収係数(α)は、用途に応じて設定される。例えば、自動車用窓ガラスの場合、吸収係数(α)は3cm−1以下であることが好ましい。また、建築用窓ガラスの場合、吸収係数(α)は0.6cm−1以下であることが好ましい。また、ディスプレイ用ガラスの場合、吸収係数(α)は0.2cm−1以下であることが好ましい。
レーザ光20の波長は、250〜5000nmであることが好ましい。レーザ光20の波長を250〜5000nmとすることで、レーザ光20の透過率と、レーザ光20による加熱効率とを両立できる。レーザ光20の波長は、より好ましくは300〜4000nm、さらに好ましくは800〜3000nmである。
強化ガラス板10中の酸化鉄の含有量は、強化ガラス板10を構成するガラスの種類によるが、例えば0.02〜1.0質量%である。この範囲で酸化鉄の含有量を調節することで、1000nm付近の汎用の近赤外線レーザを用いてα×tを所望の範囲に調節可能である。酸化鉄の含有量を調節する代わりに、酸化コバルトや酸化銅、希土類元素の酸化物の含有量を調節しても良い。
強化ガラス板10の厚さ(t)は、用途に応じて設定される。
強化ガラス板10が化学強化ガラスの場合、強化ガラス板10の厚さ(t)は0.01〜0.2cmであることが好ましい。厚さ(t)を0.2cm以下とすることで、内部残留引張応力(CT)を十分に高めることができる。一方、厚さ(t)が0.01cm未満になると、ガラスに化学強化処理を施すことが難しい。厚さ(t)は、より好ましくは0.03〜0.15cm、さらに好ましくは0.05〜0.15cmである。
強化ガラス板10が風冷強化ガラスの場合、強化ガラス板10の厚さ(t)は0.1〜3cmであることが好ましい。厚さ(t)を3cm以下とすることで、内部残留引張応力(CT)を十分に高めることができる。一方、厚さ(t)が0.1cm未満になると、ガラスに風冷強化処理を施すことが難しい。厚さ(t)は、より好ましくは0.15〜2cm、さらに好ましくは0.2〜1.5cmである。
強化ガラス板10の表面(レーザ光20が入射する面)12において、レーザ光20の照射領域22は、円形に形成されている場合、0.18mmよりも大きく、且つ、強化ガラス板10の厚さよりも小さい直径(Φ)を有することが好ましい。直径(Φ)が強化ガラス板10の厚さ以上になると、レーザ光20の照射領域22が広すぎ、加熱領域が広すぎるので、切断面の一部(特に切断開始部分や切断終了部分)が僅かに湾曲することがある。直径(Φ)は1.03mmよりも小さくてよい。また、直径(Φ)が0.5mm以下であれば、クラック30の位置制御性を高めるため切断精度が向上し、より好ましい。一方、直径(Φ)が0.18mm以下になると、レーザ光20のパワー制御にばらつきが生じた際にパワー密度が高くなり過ぎ、切断面が荒れて、微細な亀裂が形成されることがある。しかしながら、例えばα×tが0.105以下(レーザ光吸収率10%以下)のように小さければ、パワー制御にばらつきが生じパワー密度が高くなったとしても影響を受けにくいため、直径(Φ)が0.18mm以下の場合でも、切断精度が向上することがある。また、レーザ光20のパワー制御の精度が高ければ、α×tの値にかかわらず直径(Φ)が0.18mm以下の場合でも、切断精度が向上することがある。
[第2の実施形態]
図9は、本発明の第2の実施形態に係る強化ガラス板の切断方法の説明図である。図9において、図1Aと同一構成には同一符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、第1の実施形態と同様に、強化ガラス板10の表面12にレーザ光20を照射し、強化ガラス板10の表面12上で、レーザ光20の照射領域22を移動させることで、強化ガラス板10を切断する。
また、本実施形態では、強化ガラス板10とレーザ光20とが、レーザ光20に対する強化ガラス板10の吸収係数をα(cm−1)とし、強化ガラス板10の厚さをt(cm)として、0<α×t≦3.0の式を満たすことによって、中間層17の残留引張応力よるクラックの伸展を利用して強化ガラス板10を切断する。すなわち、レーザ光20の照射領域22における中間層17を徐冷点以下の温度で加熱することによって、中間層17の残留引張応力によって強化ガラス板10に生じるクラック30の伸展を制御することが可能となる。従って、本実施形態でも、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
これに加えて、本実施形態では、図9に示すように、強化ガラス板10の表面12にガス40を吹き付け、強化ガラス板10の表面12上でガス40の吹き付け領域42をレーザ光20の照射領域22と連動して(照射領域22と共に)移動させる。吹き付け領域42は、照射領域22と重なっていても良いし、照射領域22の近傍に配されても良い。また、吹き付け領域42は、照射領域22に先行しても良いし、照射領域22に追従しても良い。ガス40としては、特に限定されないが、例えば圧縮空気などが用いられる。
圧縮空気によって、強化ガラス板10の表面12に付着している付着物(例えば粉塵)を吹き飛ばして、付着物がレーザ光20を吸収するのを防止できる。よって、強化ガラス板10の表面12が過熱されるのを防止できる。
ガス40は、強化ガラス板10を局所的に冷却する冷却ガスであっても良く、この場合、ガス40の吹き付け領域42は、図9に示すようにレーザ光20の照射領域22の移動方向後方近傍に位置するように、照射領域22に追従させても良い。これによって、レーザ光20の照射領域22の移動方向後方近傍において、高い温度勾配が生じるので、引張応力が所定値に達する位置(即ち、クラック30の先端位置)と、レーザ光20の位置との間の距離が短くなる。よって、クラック30の位置制御性が高まるため、切断精度をさらに向上できる。
[第3の実施形態]
図10A及び図10Bは、本発明の第3の実施形態に係る強化ガラス板の切断方法の説明図である。図10Aは強化ガラス板の断面を示す断面図、図10Bは強化ガラス板の表面を拡大して示す平面図である。図10Aにおいて、矢印方向はガスの流れ方向を示す。図10A及び図10Bにおいて、図1A及び図9等と同一構成には同一符号を付して説明を省略する。
上記第2の実施形態ではガス40の吹き付け領域42がレーザ光20の照射領域22の後方近傍に配されるのに対し、本実施形態ではガス40の吹き付け領域42の外縁よりも内側にレーザ光20の照射領域22が配される点で相違する。その他の構成は第2の実施形態と同様であるので、相違点を中心に説明する。
ガス40は、強化ガラス板10を局所的に冷却する冷却ガスである。ガス40の吹き付け領域42の外縁よりも内側に、レーザ光20の照射領域22が配される。
ガス40の吹き付け領域42は、ガス40の噴出口であるノズル50の出口52を、ノズル50の中心軸51と平行な方向に、強化ガラス板10の表面12に投影した領域のことである。
図10Bに示すように、強化ガラス板10の表面12上で、ガス40の吹き付け領域42の外縁よりも内側にレーザ光20の照射領域22が配されているので、強化ガラス板10の加熱領域を絞ることができる。よって、レーザ光20の照射領域22の後方近傍において、高い温度勾配が生じるので、引張応力が所定値に達する位置(即ち、クラック30の先端位置)と、レーザ光20の位置との間の距離が短くなる。よって、クラック30の位置制御性が高まるため、切断精度をさらに向上できる。
ノズル50は、例えば図10Aに示すように筒状に形成され、ノズル50の内部をレーザ光20が通過して良い。ノズル50の中心軸51と、レーザ光20の光軸21とは同軸的に配置されて良い。ガス40の吹き付け領域42と、レーザ光20の照射領域22との位置関係が固定されるので、位置関係の変更が不要な場合に有効である。
[第4の実施形態]
図11A及び図11Bは、本発明の第4の実施形態に係る強化ガラス板の切断方法の説明図である。図11Aは、図11BのA−A線に沿った断面図である。図11Bは、強化ガラス板の平面図である。図11A及び図11Bにおいて、図1A等と同一構成には同一符号を付して説明を省略する。
上記第1の実施形態ではレーザ光20が強化ガラス板10の表面12に対して垂直に入射するのに対し、本実施形態ではレーザ光20が強化ガラス板10の表面12に対して斜めに入射する点で相違する。その他の構成は第2の実施形態と同様であるので、相違点を中心に説明する。
レーザ光20の照射領域22の移動方向視で、図11Aに示すようにレーザ光20が強化ガラス板10の表面12に斜めに入射するので、強化ガラス板10の切断面が板厚方向に対して斜めになる。よって、強化ガラス板10の切断で得られる切断片同士の板厚方向への分離が可能である。
レーザ光20の光軸21の入射角βが大きくなるほど、スネルの法則に従って屈折角γが大きくなるので、強化ガラス板10の切断面の板厚方向に対する傾きが大きくなる。この傾きが大きくなるほど、切断後の板厚方向への分離が容易となるが、切断後の切断面の面取り加工が面倒になる。
入射角βは、レーザ光20の光軸21と、強化ガラス板10の表面12における切断予定線11との位置関係に応じて設定される。例えば図11Bに示すように平面視(板厚方向視)でレーザ光20の光軸21が切断予定線11に対して垂直に配置される場合、入射角βは1〜60°の範囲内で設定される。尚、平面視(板厚方向視)で、レーザ光20の光軸21は、切断予定線11に対して斜めに配置されても良い。
レーザ光20は、強化ガラス板10の表面12に対して斜めに入射すると、t/cosγの距離を移動して裏面14から出射する。この場合、強化ガラス板10とレーザ光20とが0<α×t/cosγ≦3.0の式を満たすことによって、レーザ光20が強化ガラス板10の表面12近傍で吸収されずに内部にまで到達するようになる。従って、第1の実施形態と同様に、中間層17の残留引張応力によって強化ガラス板10に生じるクラック30の伸展を制御することが可能となる。従って、本実施形態でも、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
尚、本実施形態において、第2及び第3の実施形態と同様に、強化ガラス板10の表面12にガス40を吹き付け、強化ガラス板10の表面12上でガス40の吹き付け領域42をレーザ光20の照射領域22と連動して移動させても良い。ガス40の吹き付け領域42は、レーザ光20の照射領域22と重なっていても良いし、レーザ光20の照射領域22の近傍に配されても良い。また、ガス40の吹き付け領域42の外縁よりも内側に、レーザ光20の照射領域22が配置されても良い。
[第5の実施形態]
図12は、本発明の第5の実施形態に係る強化ガラス板の切断方法の説明図である。図12において、図1Aと同一のまたは対応する構成には同一のまたは対応する符号を付して説明を省略する。
上記第1の実施形態では1枚の強化ガラス板10を切断するのに対し、本実施形態では複数枚(例えば3枚)の強化ガラス板10A〜10Cを積層した状態で同時に切断する点で相違する。例えばα×tが0.105以下(レーザ光吸収率10%以下)のように小さければ、各強化ガラス10板の表面に照射されたレーザ光のほとんどは透過されるため、積層された複数枚の強化ガラス板10を同時に切断することが可能である。その他の構成は第2の実施形態と同様であるので、相違点を中心に説明する。
本実施形態では、強化ガラス板10A〜10CをN枚(Nは2以上の自然数)積層してなる積層体110の表面(一方の主面)112にレーザ光20を照射し、各強化ガラス板10A〜10Cの表面12A〜12C上でレーザ光20の照射領域22を移動させることにより、N枚の強化ガラス板10A〜10Cを切断する。
N枚の強化ガラス板10A〜10Cは、互いに異なるガラス組成を有しても良いが、同じガラス組成を有することが好ましい。N枚の強化ガラス板10A〜10Cは、互いに異なる厚さを有しても良いが、同じ厚さを有することが好ましい。N枚の強化ガラス板10A〜10Cは、互いに異なる熱膨張係数を有しても良いが、同じ熱膨張係数を有することが好ましい。N枚の強化ガラス板10A〜10Cは、互いに異なる吸収係数αを有しても良いが、同じ吸収係数αを有することが好ましい。
積層体110において、互いに隣り合う強化ガラス板同士(例えば強化ガラス板10Aと強化ガラス板10B)は接していても良いし、離れていても良い。また、積層体110において、互いに隣り合う強化ガラス板同士(例えば強化ガラス板10Aと強化ガラス板10B)の間に樹脂等のスペーサを設けても良い。
レーザ光20は、積層体110の表面(図において上面)112に対して垂直に入射して良い。即ち、レーザ光20は、各強化ガラス板10A〜10Cの表面12A〜12Cに対して垂直に入射して良い。
各強化ガラス板10A〜10Cとレーザ光20とは、レーザ光20に対する各強化ガラス板10の吸収係数をα(cm−1)、各強化ガラス板10の厚さをt(cm)として、0<α×t≦3.0(iは1以上、N以下の任意の自然数)の式を満たす。
レーザ光20は、各強化ガラス板10A〜10Cの表面12A〜12Cに対して垂直に入射すると、各強化ガラス板10A〜10Cの厚さt(cm)と同じ距離を移動して裏面から出射する。この場合、各強化ガラス板10A〜10Cとレーザ光20とが0<α×t≦3.0の式を満たすことによって、レーザ光20が各強化ガラス板10A〜10Cの表面12A〜12C近傍で吸収されずに内部にまで到達するようになる。従って、第1の実施形態と同様に、各強化ガラス板10A〜10Cの中間層の残留引張応力によって各強化ガラス板10A〜10Cに生じるクラックの伸展を制御することが可能となる。従って、本実施形態でも、第1の実施形態と同様の効果が得られる。
尚、本実施形態において、第2及び第3の実施形態と同様に、積層体110の表面112にガス40を吹き付け、積層体110の表面112上でガス40の吹き付け領域42をレーザ光20の照射領域22と連動して移動させても良い。ガス40の吹き付け領域42は、レーザ光20の照射領域22と重なっていても良いし、レーザ光20の照射領域22の近傍に配されてもよい。また、ガス40の吹き付け領域42の外縁よりも内側に、レーザ光20の照射領域22が配置されても良い。
また、本実施形態では、レーザ光20が各強化ガラス板10A〜10Cの表面12A〜12Cに対して垂直に入射するが、第4の実施形態と同様に、レーザ光20が各強化ガラス板10A〜10Cの表面12A〜12Cに対して斜めに入射しても良い。この場合、各強化ガラス板10とレーザ光20とは、各強化ガラス板10A〜10Cの表面12A〜12Cでのレーザ光20の屈折角をγとして、0<α×t/cosγ≦3.0(iは1以上、N以下の任意の自然数)の式を満たす。
以下に、実施例などにより本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。
[例1−1〜例1−4]
(化学強化ガラス板の作製)
化学強化用のガラス板として、複数種類の原料を混ぜて調製したガラス原料を溶解し、溶解した溶融ガラスを板状に成形し室温付近まで徐冷し、切断、切削、両面鏡面研磨することにより、所定の厚さを有する50mm×50mmのガラス板を作製した。ガラス原料は、ガラス板のレーザ光に対する吸収係数(α)が所望の値となるように、同じ配合比のベース材に対する酸化鉄(Fe)の粉末の添加量を変えて調製した。
各化学強化用ガラス板は、酸化物基準の質量%表示で、SiO:60.7%、Al:9.6%、MgO:7.0%、CaO:0.1%、SrO:0.1%、BaO:0.1%、NaO:11.6%、KO:6.0%、ZrO:4.8%を含有しており、酸化鉄(Fe)を外割りで所定量含有していた。
各化学強化ガラス板は、上記の化学強化用ガラス板をKNO溶融塩に浸漬し、イオン交換処理した後、室温付近まで冷却することにより作製した。KNO溶融塩の温度や浸漬時間などの処理条件は、内部残留引張応力(CT)が所望の値となるように設定した。
各化学強化ガラス板の内部残留引張応力(CT)は、表面応力計FSM−6000(折原製作所製)にて表面圧縮応力(CS)及び圧縮応力層の深さ(DOL)を測定し、その測定値と、化学強化ガラス板の厚さ(t)とから以下の数式(I)を用いて計算にて求めた。
CT=(CS×DOL)/(t−2×DOL) (I)
なお、測定の結果、各化学強化ガラス板の表面層及び裏面層は、同じ厚さ、同じ最大圧縮応力を有していた。
ちなみに、表面層及び裏面層が異なる厚さ、異なる最大圧縮応力を有している場合、内部残留引張応力(CT)は、下記の数式(II)を用いて計算にて求められる。
CT=(C1×D1/2+C2×D2/2)/(t−D1−D2) (II)
上記式(II)中、C1は表面層の最大残留圧縮応力、D1は表面層の厚さ、C2は裏面層の最大残留圧縮応力、D2は裏面層の厚さを示す。
(化学強化ガラス板の切断)
化学強化ガラス板の切断は、図1A及び図1Bに示す切断方法で行った。各化学強化ガラス板の側面の切断開始位置にはヤスリで初期クラックを予め形成し、各化学強化ガラス板の表面にはスクライブ線を形成しなかった。
レーザ光の光源は、ファイバーレーザ(中心波長帯:1075〜1095nm)とした。このレーザ光に対する各化学強化ガラス板の吸収係数は、紫外可視近赤外分光光度計Lambda950を用いて測定した。
レーザ光の光軸は、各化学強化ガラス板の表面に直交するように配置した。
レーザ光の照射領域は、各化学強化ガラス板の表面上において、切断予定線の一端(初期クラック)から他端まで50mmにわたって10mm/secの一定速度で移動させた。移動経路の中心線である切断予定線は、矩形状の化学強化ガラス板の一辺と平行な直線状とし、一辺からの距離を10mmとした。レーザ光の照射領域の形状は、円状とした。
レーザ光の集光位置は、各化学強化ガラス板の表面(上面)から−10.3〜20mm(上面を基準として上方(光源側)を正とする)の位置に配置した。レーザ光の集光角は、1.4〜33.4°とした。
(切断結果の評価)
切断結果は、(1)切断可否、(2)切断端部品質、(3)切断面品質、(4)最大ずれ量で評価した。
(1)切断可否は、化学強化ガラス板を切断予定線で切断できた場合を「○」とし、クラックの伸展を制御できずにクラックが切断予定線から外れ自走した場合及び切断できずにガラスが粉砕した場合を「×」とした。
(2)切断端部品質は、切断面を目視で観察し、切断面の端部(切断の開始部分及び終了部分)が平面であるか否かで評価した。切断面の端部が平面である場合を「○」とし、切断面の端部が湾曲面である場合を「×」とした。
(3)切断面品質は、切断面を目視で観察し、切断面に亀裂が有るか否かで評価した。亀裂が視認できない場合を「○」とし、亀裂が視認できる場合を「×」とした。
なお、(2)切断端部品質や(3)切断面品質の評価が「×」の場合であっても、切断精度が良好であれば、用途によっては、使用可能である。
(4)最大ずれ量は、化学強化ガラス板の表面における切断予定線から切断線がどれだけ外れたかを表すものであって、切断予定線と直交する方向における変動幅を測定したものである。この最大ずれ量は、切断開始部分及び切断終了部分を除いて測定したものである。
評価結果を、切断条件などと共に、表1に示す。
Figure 0005431583

表1に示す例1−1〜例1−4では、切断可否、切断端部品質、切断面品質のいずれの評価も「○」であり、最大ずれ量は0mmであった。
[例1−5〜例1−10]
例1−5〜例1−10(比較例)では、例1−1〜例1−4(実施例)と異なり、厚さ(t)×吸収係数(α)の値を3.0超とし、化学強化ガラス板の切断を試みた。
例1−5では、厚さ(t)を変更した他は、例1−4と同様にして、化学強化ガラス板を作製し、作製した化学強化ガラス板上で、レーザ光の照射領域を移動させた。
例1−6〜例1−10では、レーザ光の光源として炭酸ガスレーザ(波長:10600nm)を用いて吸収係数(α)を変更した(例1−6〜例1−8では厚さ(t)も変更した)他は、例1−2と同様にして、化学強化ガラス板を作製し、作製した化学強化ガラス板上で、レーザ光の照射領域を移動させた。化学強化ガラス板の表面におけるレーザ光の照射領域は、レーザ光の照射時間を長くして、熱伝達時間を確保するため、その移動方向に長い楕円形状(長さ12mm、幅3mm)とした。
評価結果を、切断条件などと共に、表2に示す。
Figure 0005431583
表1及び表2から、厚さ(t)×吸収係数(α)の値を3.0以下とすることで、化学強化ガラス板を、良好な切断精度で切断できることがわかる。厚さ(t)×吸収係数(α)の値が3.0を越えると、切断できないか、切断できても最大ずれ量が大きく、切断精度が悪かった。
[例2−1〜例2−20]
例2−1〜例2−20(実施例)では、化学強化処理条件を変更して、内部残留引張応力(CT)を調節し、内部残留引張応力(CT)と最大ずれ量との関係を調べた。化学強化ガラス板の作製、切断、評価は、例1−1〜例1−4と同様とした。評価結果を、切断条件などと共に、表3〜表5に示す。
Figure 0005431583
Figure 0005431583
Figure 0005431583
表3〜表5から、内部残留引張応力(CT)を30MPa以上とすることで、残留引張応力によるクラックの伸展が支配的になり、最大ずれ量を0mmにできることがわかる。
[例3−1〜例3−8]
例3−1〜例3−8(実施例)では、化学強化ガラス板の表面におけるレーザ光の照射領域の寸法形状を変更して、切断結果を評価した。化学強化ガラス板の作製、切断、評価は、例1−1〜例1−4と同様とした。
評価結果を、切断条件などと共に、表6に示す。
Figure 0005431583
表6から、化学強化ガラス板の表面において、レーザ光の照射領域は、円形に形成されている場合、直径(Φ)が0.18mmよりも大きく、化学強化ガラス板の厚さ(1.0mm)よりも小さいと、切断端部品質や切断面品質が良いことがわかる。直径(Φ)が0.18mmの場合、切断面に微細な亀裂があった。また、直径(Φ)が1.03mmの場合、切断面の端部が僅かに湾曲していた。
[例4−1〜例4−4]
例4−1〜例4−4では、化学強化ガラス板を切断予定線で切断できる(クラックの自走やガラスの粉砕が起きない)最大のレーザ走査速度と、化学強化ガラス板の表面におけるレーザ光の直径との関係について調べた。
各化学強化ガラス板としては、酸化物基準の質量%表示で、SiO:61.0%、Al:12.8%、MgO:6.6%、CaO:0.1%、SrO:0.2%、BaO:0.2%、NaO:12.2%、KO:5.9%、ZrO:1.0%を含有するものを用いた。
各化学強化ガラス板において、表面圧縮応力(CS)は735MPa、圧縮応力層の深さ(DOL)は51.2(μm)、内部引張応力(CT)は38(MPa)であった。
各化学強化ガラス板(300mm×300mm×1.1mm)の切断は、図10A及び図10Bに示す切断方法で行った。各化学強化ガラス板の側面の切断開始位置にはヤスリで初期クラックを予め形成し、各化学強化ガラス板の表面にはスクライブ線を形成しなかった。
ノズルの出口は、直径2mmの円形であって、各化学強化ガラス板の表面との間のギャップG(図10A参照)が3mmの位置に配置した。100L/minの流量で室温の圧縮空気をノズルの出口から各化学強化ガラス板の表面に向けて噴射した。
ノズルの中心軸及びレーザ光の光軸は、各化学強化ガラス板の表面に直交するように同軸的に配置した。
レーザ光の光源としては、ファイバーレーザ(中心波長:1070nm)を用いた。レーザ光に対する各化学強化ガラス板の吸収係数は、紫外可視近赤外分光光度計Lambda950を用いて測定した。
レーザ光の集光位置は、各化学強化ガラス板の表面から0〜2.8mm上方(裏面と反対側)の位置に配置した。レーザ光の集光角は、4°とした。
各化学強化ガラス板の表面と同一平面において、切断予定線の一端から他端まで300mmにわたってレーザ光の中心を移動させた。移動経路である切断予定線は、矩形状の各化学強化ガラス板の一辺(短辺)と平行な直線状とし、一辺からの距離を10mmとした。
各化学強化ガラス板の表面と同一平面において、レーザ光の直径を0.2mmとすると共にレーザ光の中心を切断開始端から2.5mm/secの速度で15mm移動させ、続いてレーザ光の中心をさらに5mm移動させる間にレーザ光の直径を表7に示す直径とした。その後、レーザ光の移動速度を目標の速度に加速し、目標の速度で維持した。切断可能であった最高速度を表7に示す。
Figure 0005431583
表7から、光源出力が一定の場合、化学強化ガラス板の表面において、レーザ光の直径が小さくなるほど、レーザ光の走査速度が向上できることがわかる。レーザ光の光源出力が一定の場合、化学強化ガラス板の表面において、レーザ光の直径が小さくなるほど、レーザ光のパワー密度(W/mm)が上がるので、加熱時間が短縮可能なためである。
[例5−1〜例5−2]
例5−1〜例5−2では、化学強化ガラス板を切断予定線で切断できる(クラックの自走やガラスの粉砕が起きない)最小の光源出力と、ノズルの使用の有無との関係について調べた。
各化学強化ガラス板としては、例4−1と同じ組成のガラス(CS=699(MPa)、DOL=64.8(μm)、CT=46.7(MPa))を用いた。
各化学強化ガラス板(150mm×100mm×1.1mm)の切断は、図10A及び図10Bに示す切断方法で行った。各化学強化ガラス板の側面の切断開始位置にはヤスリで初期クラックを予め形成し、各化学強化ガラス板の表面にはスクライブ線を形成しなかった。
レーザ光の光源としては、ファイバーレーザ(中心波長:1070nm)を用いた。レーザ光に対する各化学強化ガラス板の吸収係数は、紫外可視近赤外分光光度計Lambda950を用いて測定した。
レーザ光の集光位置は、各化学強化ガラス板の表面から0mm上方(裏面と反対側)の位置に配置した。レーザ光の集光角は、8.9°とした。
各化学強化ガラス板の表面と同一平面において、切断予定線の一端から他端まで150mmにわたってレーザ光の中心を移動させた。移動経路である切断予定線は、矩形状の各化学強化ガラス板の一辺(短辺)と平行な直線状とし、一辺からの距離を10mmとした。
各化学強化ガラス板の表面と同一平面において、レーザ光の直径を0.2mmとすると共にレーザ光の中心を切断予定線の切断開始端から2.5mm/secの速度で15mm移動させ、続いてレーザ光の中心をさらに5mm移動させる間にレーザ光の直径を0.2mmから0.1mmに縮径した。その後、レーザ光の移動速度を目標の速度(10mm/sec)に加速し、目標の速度で維持した。切断開始時に、移動速度が遅いのは、クラックの形成に時間がかかるためである。
例5−1ではノズルを用いず、例5−2ではノズルを用いて化学強化ガラス板の表面に冷却ガスを吹き付けた。ノズルの中心軸は、各化学強化ガラス板の表面に直交するように、レーザ光の光軸と同軸的に配置した。ノズルの出口は、直径1mmの円形であって、各化学強化ガラス板の表面との間のギャップG(図10A参照)が2mmの位置に配置した。15L/minの流量で室温の圧縮空気をノズルの出口から各化学強化ガラス板の表面に向けて噴射した。切断可能であった最小の光源出力を表9に示す。
Figure 0005431583
表8から、冷却ガスを噴出するノズルを用いることで、光源出力を低減可能なことがわかる。
[例6−1〜例6−5]
例6−1〜例6−5では、化学強化ガラス板を切断予定線で切断できる(クラックの自走やガラスの粉砕が起きない)最小の光源出力と、レーザ光の集光位置との関係について調べた。
各化学強化ガラス板としては、例5−1と同じ組成及び同じ物性のガラス(CS=699(MPa)、DOL=64.8(μm)、CT=46.7(MPa))を用いた。
各化学強化ガラス板(150mm×100mm×1.1mm)の切断は、図10A及び図10Bに示す切断方法で行った。各化学強化ガラス板の側面の切断開始位置にはヤスリで初期クラックを予め形成し、各化学強化ガラス板の表面にはスクライブ線を形成しなかった。
レーザ光の光源としては、ファイバーレーザ(中心波長:1070nm)を用いた。レーザ光に対する各化学強化ガラス板の吸収係数は、紫外可視近赤外分光光度計Lambda950を用いて測定した。
各化学強化ガラス板の表面と同一平面において、切断予定線の一端から他端まで150mmにわたってレーザ光の中心を移動させた。移動経路である切断予定線は、矩形状の各化学強化ガラス板の一辺(短辺)と平行な直線状とし、一辺からの距離を10mmとした。
各化学強化ガラス板の表面と同一平面において、レーザ光の直径を0.2mmとすると共にレーザ光の中心を切断予定線の切断開始端から2.5mm/secの速度で15mm移動させ、続いてレーザ光の中心をさらに5mm移動させる間にレーザ光の直径を0.2mmから0.1mmに縮径した。その後、レーザ光の移動速度を目標の速度(10mm/sec)に加速し、目標の速度で維持した。切断開始時に、移動速度が遅いのは、クラックの形成に時間がかかるためである。
レーザ光の集光位置は、レーザ光の移動速度が低速の間、化学強化ガラス板の表面よりも1.3mm上方(裏面と反対側)の位置に設定した。レーザ光の移動速度が低速から高速に切り替わる前に、レーザ光の集光位置を変更した。変更後のレーザ光の集光位置は、例6−1では化学強化ガラス板の表面から0.4mm上方の位置、例6−2では化学強化ガラス板の表面上の位置、例6−3では化学強化ガラス板の板厚方向中心の位置、例6−4では化学強化ガラス板の裏面上の位置、例6−5では化学強化ガラス板の裏面から0.4mm下方の位置に設定した。
ノズルの中心軸は、各化学強化ガラス板の表面に直交するように、レーザ光の光軸と同軸的に配置した。
ノズルの出口は、直径1mmの円形であって、各化学強化ガラス板の表面との間のギャップG(図10A参照)が2mmの位置に配置した。15L/minの流量で室温の圧縮空気をノズルの出口から各化学強化ガラス板の表面に向けて噴射した。切断可能であった最小の光源出力を表9に示す。
Figure 0005431583

表9から、光源出力を低減するためには、レーザ光の集光位置は、化学強化ガラス板の表面と裏面との間にあることが好ましく、裏面に近いほど好ましいことがわかる。
[例7−1〜例7−2]
例7−1〜例7−2では、異なるガラス組成の化学強化ガラス板の切断の可否を調べた。
例7−1では、例4−1と同じ組成の化学強化ガラス板の切断を行った。一方、例7−2では、酸化物基準の質量%表示で、SiO:62.0%、Al:17.1%、MgO:3.9%、CaO:0.6%、NaO:12.7%、KO:3.5%、SnO:0.3%を含有する化学強化ガラス板の切断を行った。
各化学強化ガラス板(120mm×100mm×0.8mm)の切断は、図10A及び図10Bに示す切断方法で行った。各化学強化ガラス板の側面の切断開始位置にはヤスリで初期クラックを予め形成し、各化学強化ガラス板の表面にはスクライブ線を形成しなかった。
レーザ光の光源としては、ファイバーレーザ(中心波長:1070nm)を用いた。レーザ光に対する各化学強化ガラス板の吸収係数は、紫外可視近赤外分光光度計Lambda950を用いて測定した。
各化学強化ガラス板の表面と同一平面において、切断予定線の一端から他端までレーザ光の中心を移動させた。移動経路である切断予定線11は、図13に示すように、2つの直線状部分(長さ55mm)11−1、11−4と、該2つの直線状部分11−1、11−4の間に配置される2つの曲線状部分(半径5mmの1/4円弧状部分)11−2、11−3を含む。
各化学強化ガラス板の表面と同一平面において、レーザ光の直径を0.2mmとすると共にレーザ光の中心を切断予定線の切断開始端から2.5mm/secの速度で15mm移動させ、続いてレーザ光の中心をさらに5mm移動させる間にレーザ光の直径を0.2mmから0.1mmに縮径した。その後、レーザ光の移動速度を目標の速度(10mm/sec)に加速し、目標の速度で維持した。切断開始時に、移動速度が遅いのは、クラックの形成に時間がかかるためである。
レーザ光の集光位置は、各化学強化ガラス板の表面から0mm上方(裏面と反対側)の位置に配置した。レーザ光の集光角は、8.9°とした。
ノズルの中心軸は、各化学強化ガラス板の表面に直交するように、レーザ光の光軸と同軸的に配置した。
ノズルの出口は、直径2mmの円形であって、各化学強化ガラス板の表面との間のギャップG(図10A参照)が3mmの位置に配置した。50L/minの流量で室温の圧縮空気をノズルの出口から各化学強化ガラス板の表面に向けて噴射した。
切断の評価結果を、切断条件などと共に、表10に示す。
Figure 0005431583
表10から、化学強化ガラス板のガラス組成は特に限定されないことがわかる。
[例8−1〜例8−2]
例8−1〜例8−2では、化学強化ガラス板の表面に対してレーザ光を斜めに入射した(図11A及び図11B参照)他は、例5−2と同様にして、化学強化ガラス板の表面上で、レーザ光の照射領域を移動させた。
評価結果を、切断条件などと共に、表11に示す。
Figure 0005431583
表11から、化学強化ガラス板の表面に対してレーザ光を斜めに入射することで、切断面が板厚方向に対して傾斜することがわかる。また、切断面の傾斜角がレーザ光の屈折角と略同じことがわかる。
[例9]
例9では、化学強化ガラス板を3枚重ねた積層体の切断の可否を調べた。
3枚の化学強化ガラス板には、それぞれ、例4−1と同じ組成及び同じ物性のガラス(CS=735(MPa)、DOL=51.2(μm)、CT=37.7(MPa))を用いた。
3枚の化学強化ガラス板(150mm×100mm×1.1mm)は、図12に示す切断方法で同時に切断した。各化学強化ガラス板の側面の切断開始位置にはヤスリで初期クラックを予め形成し、各化学強化ガラス板の表面にはスクライブ線を形成しなかった。
レーザ光の光源としては、ファイバーレーザ(中心波長帯:1075〜1095nm、光源出力:80W)を用いた。レーザ光に対する各化学強化ガラス板の吸収係数は、紫外可視近赤外分光光度計Lambda950を用いて測定した。
レーザ光の集光位置は、積層体の上面から9mm上方の位置に配置した。レーザ光の集光角は、1.6°とした。
各化学強化ガラス板の上面と同一平面におけるレーザ光の直径は、それぞれ、上側から0.24mm、0.27mm、0.30mmであった。
各化学強化ガラス板の上面と同一平面において、切断予定線の一端から他端まで150mmにわたってレーザ光の中心を2.5mm/secの一定速度で移動させた。移動経路である切断予定線は、矩形状の化学強化ガラス板の一辺(短辺)と平行な直線状とし、一辺からの距離を10mmとした。
その結果、3枚の化学強化ガラス板を切断予定線に沿って同時に切断することができた。クラックの自走やガラスの粉砕は見られなかった。
[例10−1〜例10−2]
例10−1〜例10−2では、風冷強化ガラス板の切断の可否を調べた。
各風冷強化ガラス板は、複数種類の原料を混ぜて調製したガラス原料を溶解し、溶解した溶融ガラスを板状に成形して室温付近まで冷却し、切断、切削、両面鏡面研磨することにより作製した。冷却の過程で、軟化点付近の温度のガラスを表面及び裏面から急冷し、圧縮応力が残留する表面層及び裏面層を形成した。急冷の条件は、内部残留引張応力(CT)が所望の値となるように設定した。
各風冷強化ガラス板は、酸化物基準の質量%表示で、SiO:72.4%、Al:1.9%、MgO:3.8%、CaO:8.3%、NaO:12.7%、KO:1.0%を含有していた。
各風冷強化ガラス板の最大残留引張応力(CM)は、表面応力計FSM−6000(折原製作所製)にて表面圧縮応力(CS)を測定し、その測定値から以下の数式(III)を用いて計算にて求めた。
CM=CS/a (III)
数式(III)において、aはガラスの急冷開始時の温度、ガラスの急冷速度、ガラスの厚さなどで決まる定数であって、通常は2.2〜2.5の範囲内である。例10−1〜例10−2では、aの値として2.35を用いた。
各風冷強化ガラス板(300mm×300mm×5mm)の切断は、図1A及び図1Bに示す切断方法で行った。各風冷強化ガラス板の側面は切断前に予め回転砥石で研削された面であるので、各風冷強化ガラス板の側面の切断開始位置には初期クラックを切断前に形成しなかった。また、各風冷強化ガラス板の表面には、スクライブ線を形成しなかった。
レーザ光の光源としては、ファイバーレーザ(中心波長:1070nm)を用いた。レーザ光に対する各風冷強化ガラス板の吸収係数は、紫外可視近赤外分光光度計Lambda950を用いて測定した。
レーザ光の光軸は、各風冷強化ガラス板の表面に直交するように配置した。
レーザ光の集光位置は、各風冷強化ガラス板の表面から25.6mm上方(裏面と反対側)の位置に配置した。レーザ光の集光角は、8.9°とした。
各風冷強化ガラス板の表面と同一平面において、切断予定線の一端から他端まで300mmにわたってレーザ光の中心を移動させた。移動経路である切断予定線は、矩形状の各風冷強化ガラス板の一辺(短辺)と平行な直線状とし、一辺からの距離を20mmとした。
各風冷強化ガラス板の表面と同一平面において、レーザ光の照射領域は、直径4mmの円形であって2.5mm/secの一定速度で移動させた。各風冷強化ガラス板の表面において、レーザ光の中心が切断開始端から15mm以内の位置にある間はレーザ光の光源出力を例10−1では200W、例10−2では240Wに設定し、その後は100Wに設定した。
Figure 0005431583
表12から、本発明を風冷強化ガラス板に適用できることがわかる。
以上、本発明の実施形態および実施例について説明したが、本発明は上記実施形態および上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
例えば、上記実施形態の図6に示すように、強化ガラス板10の表面12に膜18が形成されている場合、パルスレーザによって切断予定線に沿って膜18を除去した後、切断しても良い。膜18を除去する手段は、パルスレーザ等のレーザ光を用いるものに限らず、機械的手段によるもの等、膜を除去できるものであれば良い。
本出願は、2011年1月11日に日本国特許庁に出願された特願2011−003496号、及び2011年8月31日に日本国特許庁に出願された特願2011−190024号に基づく優先権主張するものであり、特願2011−003496号、及び特願2011−190024号の全内容を本国際出願に援用する。
10 強化ガラス板
11 切断予定線
12 表面
13 表面層
14 裏面
15 裏面層
17 中間層
20 レーザ光
21 レーザ光の光軸
22 レーザ光の照射領域
30 クラック
40 ガス
42 ガスの吹き付け領域
50 ノズル
51 ノズルの中心軸
52 ノズルの出口
110 積層体
112 積層体の表面

Claims (14)

  1. 残留圧縮応力を有する表面層及び裏面層と、表面層と裏面層との間に形成され、内部残留引張応力を有する中間層とを備える強化ガラス板の切断方法において、
    前記中間層の内部残留引張応力が15MPa以上であり、
    前記強化ガラス板の表面にレーザ光を照射し、該表面上で切断予定線に沿って前記レーザ光の照射領域を移動させ、前記照射領域における前記中間層を徐冷点以下の温度で加熱することで、前記照射領域の中心における前記中間層に前記内部残留引張応力の値よりも小さい引張応力、または、圧縮応力を形成、前記内部残留引張応力によるラックの伸展を抑制しつつ、前記照射領域の後方に前記強化ガラス板を板厚方向に貫通するクラックを追従させて前記強化ガラス板を切断することを特徴とする強化ガラス板の切断方法。
  2. 前記強化ガラス板と前記レーザ光とは、
    前記レーザ光が前記強化ガラス板の前記表面に対して垂直に入射する場合、前記レーザ光に対する前記強化ガラス板の吸収係数をα(cm−1)、前記強化ガラス板の厚さをt(cm)として、0<α×t≦3.0の式を満たし、
    前記レーザ光が前記強化ガラス板の前記表面に対して斜めに入射する場合、前記強化ガラス板の前記表面での前記レーザ光の屈折角をγ(°)として、0<α×t/cosγ≦3.0の式を満たす請求項1に記載の強化ガラス板の切断方法。
  3. 前記レーザ光の波長が250〜5000nmである請求項1または2に記載の強化ガラス板の切断方法。
  4. 前記中間層の内部残留引張応力が30MPa以上である請求項1〜3のいずれか1項に記載の強化ガラス板の切断方法。
  5. 前記強化ガラス板の前記表面において、前記レーザ光の照射領域は、円状に形成されており、前記強化ガラス板の厚さよりも小さい直径を有する請求項1〜4のいずれか1項に記載の強化ガラス板の切断方法。
  6. 前記強化ガラス板は、化学強化ガラスである請求項1〜5のいずれか1項に記載の強化ガラス板の切断方法。
  7. 前記強化ガラス板の厚さは、0.01cm以上0.2cm以下である請求項6に記載の強化ガラス板の切断方法。
  8. 前記強化ガラス板は、風冷強化ガラスである請求項1〜5のいずれか1項に記載の強化ガラス板の切断方法。
  9. 前記強化ガラス板の厚さは、0.1cm以上3cm以下である請求項8に記載の強化ガラス板の切断方法。
  10. 前記レーザ光の光軸は、前記強化ガラス板の表面に対して斜めである請求項1〜9のいずれか1項に記載の強化ガラス板の切断方法。
  11. 前記強化ガラス板の前記表面において、前記レーザ光の照射領域の外接円の半径をRとしたとき、前記照射領域の真円度が0.5R以下である請求項1〜10のいずれか1項に記載の強化ガラス板の切断方法。
  12. 前記レーザ光の集光位置が、前記強化ガラス板の前記中間層に位置する請求項1〜11のいずれか1項に記載の強化ガラス板の切断方法。
  13. 前記強化ガラス板の表面にガスを吹き付け、前記強化ガラス板の表面上で、前記ガスの吹き付け領域を前記レーザ光の照射領域と連動して移動させる請求項1〜12のいずれか1項に記載の強化ガラス板の切断方法。
  14. 前記ガスは、前記強化ガラス板を局所的に冷却する冷却ガスである請求項13に記載の強化ガラス板の切断方法。
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